一种基于模式转换的多功能负泊松比胞元及蜂窝结构

本发明属于力学超材料，具体涉及一种基于模式转换的多功能负泊松比胞元及蜂窝结构。

背景技术：

1、机械超材料是超材料的一个重要分支，是指一组具有独特力学性能的超材料。这些不寻常的特性来源于结构微观的几何形状，而不是它们的材料成分。所以，机械超材料通常是通过周期性镶嵌的体积元来构建的，通过对胞元的设计来实现各种不寻常的机械性能，其中包括负泊松比和模式转换。

2、负泊松比是指结构在轴向拉伸/压缩时，表现出横向的膨胀/收缩，故又成为拉胀材料。由于负泊松比材料具有优异的抗压痕性、抗断裂性、抗剪切性、曲面同向性、可变渗透率和吸能特性，使得其被广泛的应用于工业、国防和医学等多个领域。模式转换是指当材料压缩超过阈值时，胞元发生协同屈曲，晶格经历高度重组，使具有确定周期模式的物质形式转换为具有更大尺度的物质形式，这个过程常常伴随着刚度的变化并可能引起泊松比由正值转化为负值，利用模式转换特性可定制材料属性，如可调负泊松比、手性图案、声子和光子开关，以及可重新编程的彩色显示等。模式转换常见于弹性周期性多孔结构中，并希望扩展到更多的结构形式中去，但其形成需要胞元的韧带的尺寸和节点的尺寸相协调，因此，传统规则的蜂窝结构无法出现模式转换现象，需要改变蜂窝结构的拓扑构型，而目前在六边形蜂窝结构中还鲜有研究。

3、六边形蜂窝结构是人类向自然界学习的众多成果之一，因其具有轻质高强、高能量吸收、形状简单、便于设计等优异性能而被广泛应用在航空航天、交通、机械、包装、医学等众多领域。为使六边形蜂窝结构获得负泊松比效应，提出了内凹六边形蜂窝，并被广泛使用。但因内凹六边形蜂窝的内部孔隙较大，其承载能力有限，在荷载下极易发生变形，并且功能比较单一。因此，希望获得一种刚度增强的多功能负泊松比蜂窝结构。但是，为了使六边形蜂窝出现优异的力学性质，目前已经提出的多种修改思路，如内凹设计、层级设计和梯度设计等方式，均非基于模式转换。

4、如公开号cn 114542635 a的专利申请提出了一种内扭转蜂窝结构材料及其制备方法。其是对传统六边形蜂窝的拓扑结构进行修改，改变蜂窝结构的力学性能，具体做法为胞元的外层胞壁的横截面保持为正六边形不变，而内层胞壁由依次相接的扭转曲面组成。在单胞阵列形成结构时，相邻内扭转六边形蜂窝结构胞元单元共用外层胞壁。通过调整扭转角度、胞元厚度、边长和高度等工艺参数，使蜂窝结构具有更高的比吸能和比刚度。

5、公开号cn 115479096 a的专利申请提出了具有正泊松比或负泊松比效应的装配式防撞结构及其设计方法，实现六边形蜂窝的泊松比在正值与负值之间的切换。具体做法是通过改变水平板这个装配部件的位置和长度实现六边形蜂窝结构和内凹蜂窝结构的转换，当装配成六边形蜂窝时，泊松比为正值，而当装配成内凹蜂窝结构时，泊松比为负值。由于以上设计通过人为组装结构部件形成六边形蜂窝结构或者内凹蜂窝结构来获得正泊松比或者负泊松比，结构装配好后，泊松比的值就确定了，要想改变泊松比的符号，就需要重新对结构进行装配，应用不便。

6、公开号cn 113958637 a的专利申请提出了一种内凹型负泊松比超材料胞元及蜂窝结构，通过凹角蜂窝实现负泊松比效果，其机理是当结构受拉或者受压时，倾斜杆件会发生面内旋转。同时为了改善凹角蜂窝结构变形较快、承载能力较低的情况，在结构的内部的左右两侧设置对称的圆弧形支撑胞壁以提高结构的刚度。要保证大范围的泊松比变化，倾斜杆的长度不能太小，这使得结构的承载能力有限，抵抗变形的能力较低。并且内凹六边形蜂窝结构功能比较单一，除负泊松比效应外，没有发生节点、胞元的旋转。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，提供了一种基于模式转换的多功能负泊松比胞元及蜂窝结构，使蜂窝结构通过模式转换实现负泊松比效应并附带更多功能，伴随着节点和胞元的大范围旋转，同时对结构的参数设计还使其刚度得到明显提升，应用更加便捷，解决了现有技术中存在的问题。

2、本发明提供了如下技术方案之一：

3、一种基于模式转换的多功能负泊松比胞元，包括正六边形蜂窝单元，正六边形蜂窝单元由第一直梁依次连接而成，在相邻第一直梁连接点的外端连接第二直梁；各第二直梁由直梁段和变截面梁组成；其中，第一直梁长为l、厚度为t2，直梁段长为l1、厚度为t2，变截面梁的母线与轴线的夹角为θ，变截面梁的长度为l-l1，变截面梁的截面宽度由如下函数确定：

4、t(x)＝t1+2tanθ·x,x∈[0,l-l1]。

5、进一步地，第一直梁、第二直梁长度、厚度及变截面梁母线与轴线的夹角θ满足如下条件：t2≥2t1；l1＝l/2～2l/3；10°≤θ≤30°。

6、进一步地，t2＝3t1；l＝2l1；变截面梁的母线与轴线的夹角θ为20°。

7、本发明提供了如下技术方案之二：

8、一种基于模式转换的多功能负泊松比蜂窝结构，由拓扑阵列排列的若干个如上所述的负泊松比胞元组成。

9、进一步地，所述负泊松比胞元的拓扑构型通过相邻胞元的变截面梁拼接而成。

10、上述基于模式转换的多功能负泊松比蜂窝结构，通过调整第一直梁、第二直梁的厚度比例、第一直梁的轴向长度、变截面梁的角度θ，实现对六边形蜂窝结构拓扑构型的改变。

11、本发明的有益效果：

12、1、本发明实现负泊松比机理与现有技术不同，通过调节直梁的厚度和变截面梁的角度改变传统六边形蜂窝的拓扑结构，使六边形蜂窝因模式转换而产生负泊松比效应，且能够实现可调泊松比，即结构在初始阶段泊松比为正，而当受压超过临界值时，泊松比转化为负值。通过对结构拓扑形状进修修改，也增强了结构的刚度。

13、2、本发明模式转换带来的平台阶段，使六边形蜂窝结构具有持续稳定的吸能效果。模式转换的局部屈曲现象可用于弹性耗能，并且可以重复使用，降低了使用和维护成本。

14、3、除了实现负泊松比效应外，本发明结构在屈曲后还产生胞元和节点的大范围旋转，具有大范围的晶胞/节点的转动，利用其旋转特性可以开发弯曲/扭转驱动器、软体机器人的运动关节等，进一步提升了其应用价值。

15、4、本发明的结构形式简单，是对传统六边形蜂窝的简单修改，作为多功能负泊松比蜂窝结构材料，制作方便，成本低廉，可以通过浇筑等传统方式实现。

16、综上，本发明多功能负泊松比蜂窝结构，通过对其拓扑构型的修改，使蜂窝结构通过模式转换实现了负泊松比效应并附带良好吸能效果及比刚度提升等其他功能，且相比现有技术对传统蜂窝结构拓扑构型的修改，主要通过调整正六边形蜂窝单元的两直梁厚度比例、轴线长度及变截面梁角度这一方式实现，设计简单灵活。

技术特征：

1.一种基于模式转换的多功能负泊松比胞元，其特征在于，包括正六边形蜂窝单元，正六边形蜂窝单元由第一直梁依次连接而成，在各相邻第一直梁连接点的外端连接第二直梁；各第二直梁由直梁段和变截面梁组成；其中，第一直梁长为l、厚度为t2，直梁段长为l1、厚度为t2，变截面梁的母线与轴线的夹角为θ，变截面梁的长度为l-l1，变截面梁的截面宽度由如下函数确定：

2.根据权利要求1所述的基于模式转换的多功能负泊松比胞元，其特征在于，第一直梁、第二直梁长度、厚度及变截面梁母线与轴线的夹角θ满足如下条件：t2≥2t1；l1＝l/2～2l/3；10°≤θ≤30°。

3.根据权利要求2所述的基于模式转换的多功能负泊松比胞元，其特征在于，t2＝3t1；l＝2l1；变截面梁的母线与轴线的夹角θ为20°。

4.一种基于模式转换的多功能负泊松比蜂窝结构，其特征在于，由拓扑阵列排列的若干个如权利要求1-3中任一所述的负泊松比胞元组成。

5.根据权利要求4所述的基于模式转换的多功能负泊松比蜂窝结构，其特征在于，所述负泊松比胞元的拓扑构型通过相邻胞元的变截面梁拼接而成。

6.根据权利要求4或5所述的基于模式转换的多功能负泊松比蜂窝结构，其特征在于，通过调整第一直梁、第二直梁的厚度比例、第一直梁的轴向长度、变截面梁的角度θ、实现对六边形蜂窝结构拓扑构型改变。

技术总结
本发明属于力学超材料技术领域，具体涉及一种基于模式转换的多功能负泊松比胞元及蜂窝结构。其包括正六边形蜂窝单元，正六边形蜂窝单元由第一直梁依次连接而成，在相邻第一直梁连接点的外端连接第二直梁；各第二直梁由直梁段和变截面梁组成，通过调整第一直梁、第二直梁的厚度比例、第一直梁的轴向长度、变截面梁的角度θ、实现对六边形蜂窝结构拓扑构型改变。该基于模式转换的多功能负泊松比蜂窝结构，使蜂窝结构通过模式转换实现负泊松比效应并附带更多功能，伴随着节点和胞元的大范围旋转，同时对结构的设计还使其刚度得到提升，应用更加便捷。

技术研发人员：侯秀慧,谢峰,邓子辰
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8