双稳态胞元及具有多层级结构的多稳态力学结构制造技术

本申请提出一种双稳态胞元及具有多层级结构的多稳态力学结构，所述双稳态胞元为中空的回转体，所述双稳态胞元的轴向中间部分的径向尺寸大于轴向两端部分的径向尺寸，所述双稳态胞元包括：第一圆台部，所述第一圆台部的内侧面与垂直于所述双稳态胞元的轴向的平面的夹角为45至70度；第二圆台部，所述第二圆台部的内侧面与垂直于所述双稳态胞元的轴向的平面的夹角为50至85度；第一弧面部，通过所述第一弧面部使所述第一圆台部和所述第二圆台部连续过渡地连接，所述第一弧面部的壁厚小于所述第一圆台部和/或所述第二圆台部的壁厚。通过采用上述技术方案，双稳态胞元的弧面部由厚度连续变化的曲面组成，避免了较高的应力集中而导致的失效。

【技术实现步骤摘要】
双稳态胞元及具有多层级结构的多稳态力学结构
本申请属于多稳态力学结构领域，特别涉及一种双稳态胞元及具有多层级结构的多稳态力学结构。
技术介绍
多稳态结构具有多个变形后稳定的状态，在外力载荷作用下，多稳态结构可以从初始构型变形为另一变形构型，并在卸载后保持该变形构型，并存储一定的弹性应变能。在施加反向载荷时，变形构型可以恢复到初始构型，使多稳态结构在外力作用下可以在不同稳态之间可逆地转换。多稳态结构在隔振、能量吸收及可编程结构设计等领域有广泛的应用。多稳态结构可以将外界输入的能量转化为弹性应变能，相比于传统的能量耗散机制，如金属的塑性变形、陶瓷的脆性断裂以及率相关的粘性变形过程等，多稳态结构在材料的可重复利用方面具有明显的优势。中国专利技术专利CN109826892B公开了一种可重复使用的多稳态吸能阵列组合结构，该结构可以承受冲击载荷并实现重复利用，但其吸能模块简单地重复阵列排布且互不干涉使得该结构仅在一个方向具有多稳态，在可能承受多方向载荷的工况下存在一定的局限性。此外，已有的多稳态结构所采用的双稳态胞元多由杆件及其他一些连接件构成，杆件与杆件相交的节点处、连接件处以及材料厚度发生突变的位置会存在较大的应力集中，容易导致结构失效。
技术实现思路
本申请旨在提出一种双稳态胞元，使双稳态胞元不易出现应力集中而导致的失效。本申请还提出一种具有多层级结构的多稳态力学结构，使其可以承受多个方向的载荷，并且可以在多个方向上具有多稳态。本申请提出一种双稳态胞元，所述双稳态胞元为中空的回转体，所述双稳态胞元的轴向中间部分的径向尺寸大于轴向两端部分的径向尺寸，所述双稳态胞元包括：第一圆台部，所述第一圆台部的内侧面与垂直于所述双稳态胞元的轴向的平面的夹角为45至70度；第二圆台部，所述第二圆台部的内侧面与垂直于所述双稳态胞元的轴向的平面的夹角为50至85度；第一弧面部，通过所述第一弧面部使所述第一圆台部和所述第二圆台部连续过渡地连接，所述第一弧面部的壁厚小于所述第一圆台部和/或所述第二圆台部的壁厚。优选地，在所述双稳态胞元受到轴向压缩载荷时，所述第一圆台部能以所述第一弧面部为转折点翻折伸入到该双稳态胞元的第二圆台部112中，从而使所述双稳态胞元的轴向长度减小。优选地，所述双稳态胞元还包括第二弧面部和第三弧面部，所述第二弧面部和所述第三弧面部位于所述双稳态胞元的轴向两端，所述第二弧面部和所述第三弧面部的厚度均小于所述第一圆台部和/或所述第二圆台部的壁厚，所述双稳态胞元的轴向两端的直径相同，在多个所述双稳态胞元依次连接的状态下，所述第二弧面部和所述第三弧面部连续过渡地相连。优选地，所述第一弧面部、所述第二弧面部和所述第三弧面部的厚度均连续变化，使所述第一圆台部和所述第二圆台部连续过渡地连接。优选地，所述双稳态胞元的第一圆台部和/或第二圆台部的壁厚：所述双稳态胞元的最小半径：所述双稳态胞元的最大半径的比值范围为15:192-210：300-378。优选地，所述双稳态胞元的第一圆台部和/或第二圆台部的壁厚：所述双稳态胞元的最小半径：所述双稳态胞元的最大半径的比值为15：200：318，所述第一圆台部的内侧面与垂直于所述双稳态胞元的轴向的平面的夹角为54度；所述第二圆台部的内侧面与垂直于所述双稳态胞元的轴向的平面的夹角为75度。本申请还提出一种具有多层级结构的多稳态力学结构，所述具有多层级结构的多稳态力学结构包括：杆状组件，所述杆状组件包括一个或多个双稳态胞元；节点连接件，所述节点连接件连接于所述杆状组件的两端，使多个所述杆状组件形成三维立体构型。优选地，所述双稳态胞元包括多个杆状组件权利要求1至6中任一项所述的双稳态胞元，一个所述双稳态胞元的第一圆台部连接与其相邻的另一双稳态胞元的第二圆台部，从而多个所述双稳态胞元首尾相连形成杆状。优选地，所述具有多层级结构的多稳态力学结构为立方体，所述节点连接件为施瓦茨P结构，所述施瓦茨P结构的方程式为：cos(x)+cos(y)+cos(z)-C＝0；其中C为常数。优选地，所述具有多层级结构的多稳态力学结构为正八面体，所述节点连接件为球体。通过采用上述技术方案，本申请能够获得以下有益效果中的至少一个：(1)双稳态胞元的弧面部由厚度连续变化的曲面组成，避免了较高的应力集中而导致的失效。(2)本申请的具有多层级结构的多稳态力学结构可以被重复地压缩、恢复，从而能够重复使用。(3)本申请的具有多层级结构的多稳态力学结构能够沿三个方向或者更多方向变形，具有多种稳态构型，解决了现有多稳态结构仅在单一方向上具有变形吸能性质的局限性。(4)本申请的具有多层级结构的多稳态力学结构具有较高的空隙率，能够提高比能量吸收能力，即单位质量的能量吸收能力。(5)本申请的多层级结构的多稳态力学结构具有较好的可编程性，通过改变双稳态胞元的截面形状和几何参数，可以调节双稳态胞元存储的弹性应变能的大小。通过改变杆组件的双稳态胞元的数量，可以调节杆状组件的承载能力。通过改变点阵胞元的构型，得到的多稳态结构可以适用于不同工况。该结构具有较好的扩展性，可以进一步在三维空间中周期排布扩展。附图说明图1示出了根据本申请的第一实施方式的具有多层级结构的多稳态力学结构的结构示意图。图2示出了根据本申请的第一实施方式的具有多层级结构的多稳态力学结构的杆状组件的结构示意图。图3示出了根据本申请的第一实施方式的具有多层级结构的多稳态力学结构的双稳态胞元的剖视图。图4示出了根据本申请的第一实施方式的具有多层级结构的多稳态力学结构的双稳态胞元的局部剖视放大图。图5示出了根据本申请的第一实施方式的具有多层级结构的多稳态力学结构的双稳态胞元的力-位移曲线图。图6示出了根据本申请的第一实施方式的具有多层级结构的多稳态力学结构的杆状组件的力-位移曲线图。图7示出了根据本申请的另一实施方式的具有多层级结构的多稳态力学结构的杆状组件的力-位移曲线图。图8至图11示出了根据本申请的第一实施方式的具有多层级结构的多稳态力学结构的双稳态胞元有限元模拟分析图。图12示出了根据本申请的第一实施方式的具有多层级结构的多稳态力学结构的节点连接件的结构示意图。图13示出了根据本申请的第一实施方式的具有多层级结构的多稳态力学结构的沿第一方向压缩后的结构示意图。图14示出了根据本申请的第一实施方式的具有多层级结构的多稳态力学结构的沿第一、第二方向压缩后的结构示意图。图15示出了根据本申请的第一实施方式的具有多层级结构的多稳态力学结构的沿第一、第二、第三方向压缩后的结构示意图。图16示出了根据本申请的第二实施方式的具有多层级结构的多稳态力学结构的结构示意图。图17示出了根据本申请的又一实施方式的具有多层级结构的多稳态力学结构所采用的点阵结构的示意图。附图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双稳态胞元，其特征在于，所述双稳态胞元(11)为中空的回转体，所述双稳态胞元(11)的轴向中间部分的径向尺寸大于轴向两端部分的径向尺寸，/n所述双稳态胞元(11)包括：/n第一圆台部(111)，所述第一圆台部(111)的内侧面与垂直于所述双稳态胞元(11)的轴向的平面的夹角为45至70度；/n第二圆台部(112)，所述第二圆台部(112)的内侧面与垂直于所述双稳态胞元(11)的轴向的平面的夹角为50至85度；/n第一弧面部(113)，通过所述第一弧面部(113)使所述第一圆台部(111)和所述第二圆台部(112)连续过渡地连接，所述第一弧面部(113)的壁厚小于所述第一圆台部(111)和/或所述第二圆台部(112)的壁厚。/n

【技术特征摘要】
1.一种双稳态胞元，其特征在于，所述双稳态胞元(11)为中空的回转体，所述双稳态胞元(11)的轴向中间部分的径向尺寸大于轴向两端部分的径向尺寸，
所述双稳态胞元(11)包括：
第一圆台部(111)，所述第一圆台部(111)的内侧面与垂直于所述双稳态胞元(11)的轴向的平面的夹角为45至70度；
第二圆台部(112)，所述第二圆台部(112)的内侧面与垂直于所述双稳态胞元(11)的轴向的平面的夹角为50至85度；
第一弧面部(113)，通过所述第一弧面部(113)使所述第一圆台部(111)和所述第二圆台部(112)连续过渡地连接，所述第一弧面部(113)的壁厚小于所述第一圆台部(111)和/或所述第二圆台部(112)的壁厚。


2.根据权利要求1所述的双稳态胞元，其特征在于，在所述双稳态胞元(11)受到轴向压缩载荷时，所述第一圆台部(111)能以所述第一弧面部(113)为转折点翻折伸入到该双稳态胞元(11)的第二圆台部112中，从而使所述双稳态胞元(11)的轴向长度减小。


3.根据权利要求1所述的双稳态胞元，其特征在于，所述双稳态胞元(11)还包括第二弧面部(114)和第三弧面部(115)，所述第二弧面部(114)和所述第三弧面部(115)位于所述双稳态胞元(11)的轴向两端，所述第二弧面部(114)和所述第三弧面部(115)的厚度均小于所述第一圆台部(111)和/或所述第二圆台部(112)的壁厚，
所述双稳态胞元(11)的轴向两端的直径相同，在多个所述双稳态胞元(11)依次连接的状态下，所述第二弧面部(114)和所述第三弧面部(115)连续过渡地相连。


4.根据权利要求3所述的双稳态胞元，其特征在于，所述第一弧面部(113)、所述第二弧面部(114)和所述第三弧面部(115)的厚度均连续变化，使所述第一圆台部(111)和所述第二圆台部(112)连续过渡地连接。


5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓雁，王宇嘉，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11