一种具有负泊松比特性的三维爪形结构及其组合方法技术

本发明专利技术涉及一种具有负泊松比特性的三维爪形结构，包括基本单元，基本单元包括三个螺旋结构单元，螺旋结构单元包括四个弧形杆、四个连接杆；四个弧形杆的一端连接至同一连接点，四个弧形杆间隔90

【技术实现步骤摘要】
一种具有负泊松比特性的三维爪形结构及其组合方法


[0001]本专利技术涉及负泊松比结构
，具体涉及一种具有负泊松比特性的三维爪形结构及其组合方法。

技术介绍

[0002]泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。负泊松比效应，是指受拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀，而受压缩时，材料在弹性范围内横向发生收缩的现象。负泊松比材料相比传统的正泊松比材料(自然界里常见的)而言，由于具有不同于普通材料的独特性质，在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势，尤其是材料的物理机械性能有了很大的提高，如提高了材料的剪切模量、材料的抗缺口性能、抗断裂性能以及材料的回弹韧性。
[0003]现有的负泊松比结构存在的问题有：1.多数负泊松比结构仍是二维结构，仅能实现一个方向的吸能，吸能效果一般。2.现有负泊松比结构的稳定性较差，抗冲击能力较差。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的是：提供一种稳定性好，六个面都能实现负泊松比特性的具有负泊松比特性的三维爪形结构及其组合方法。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种具有负泊松比特性的三维爪形结构，包括多个基本单元，基本单元包括三个螺旋结构单元，螺旋结构单元包括四个弧形杆、四个连接杆；四个弧形杆的一端连接至同一连接点，四个弧形杆间隔90
°
设置；四个连接杆的一端分别与四个弧形杆的另一端连接，连接杆的另一端向弧形杆外侧延伸；三个螺旋结构单元中，一个螺旋结构单元水平放置，两个螺旋结构单元竖直且重合放置；水平放置的螺旋结构单元的连接点与两个竖直且重合放置的螺旋结构单元的连接点重合；竖直且重合放置的两个螺旋结构单元中，以经过连接点的竖线为转轴，一个螺旋结构单元沿转轴相对于另一个螺旋结构单元旋转90
°
设置。
[0007]作为一种优选，多个基本单元中，每八个基本单元连接形成立方体框架；立方体框架中，相邻的基本单元之间通过相对应的连接杆的另一端连接；三维爪形结构通过多个立方体框架在水平方向和竖直方向堆叠形成。
[0008]作为一种优选，连接杆与弧形杆相切。
[0009]作为一种优选，弧形杆为半圆形杆。
[0010]作为一种优选，弧形杆和连接杆的横截面均为矩形。
[0011]作为一种优选，三维爪形结构通过3D打印一体成型制成。
[0012]一种具有负泊松比特性的三维爪形结构的组合方法，包括如下步骤：S1：将一个螺旋结构单元水平放置，两个螺旋结构单元竖直且重合放置；水平放置的螺旋结构单元的连接点与两个竖直且重合放置的螺旋结构单元的连接点重合；竖直且重合放置的两个螺旋结
构单元中，一个螺旋结构单元沿转轴相对于另一个螺旋结构单元旋转90
°
设置，以形成一个基本单元；S2：将八个基本单元连接形成立方体框架；立方体框架中，相邻的基本单元之间通过相对应的连接杆的另一端连接；S3：将多个立方体框架在水平方向和竖直方向堆叠形成三维爪形结构。
[0013]总的说来，本专利技术具有如下优点：
[0014]1.本专利技术的三维爪形结构六个面都能实现负泊松比特性；在受到外部载荷压力时，基本单元内部的弧形杆会发生向内回转，拉扯连接杆朝着弧形杆旋转方向进行向内卷曲移动，同时另外三个连接杆之间互相向内拉扯，使得基本单元在垂直于载荷方向的另外两个方向发生横向截面收缩变小，随着基本单元发生变化，基本单元与其在空间相邻固接的基本单元在受载时，单个基本单元受压横截面收缩变小，每个基本单元发生杆件向内回转的同时，它们之间的连接杆相互作用拉扯。整体结构在空间中具有任意面压缩，与其相邻的四个侧面均能同步收缩的特性，且三个方向上的六个面均能够实现压负泊松比特性。
[0015]2.本专利技术稳定性好，抗冲击能力强；三个螺旋结构单元两两正交重叠组成基本单元，三个弧形杆之间两两正交能够提高受载变形后的旋转惯性，还能提高冲击时的稳定性，使得三维爪形结构受载变形过程平稳。本专利技术的多个基本单元之间两两对称，这种设计使得基本单元压缩变形过程中，与受载平面相邻的四个侧面向内收缩变窄可同步进行，从而可以使得三维爪形结构负泊松比特性更加明显，且降低三维爪形结构在受到较大的压力时剪切变形与压溃的可能性。
[0016]3.本专利技术制造方便；弧形杆和连接杆的厚度、高度均为t(mm)。这种设计一方面能够让该结构获得多个方向的等同性，更方便制造，且使得三维爪形结构的效率大大提高。
[0017]4.本专利技术的组合方法获得的三维爪形结构具有多方位的负泊松比特性，本专利技术的组合方法是将多个基本单元之间的连接杆端面相互固接，且在水平方向和竖直方向堆叠形成三维爪形结构；其中每个螺旋结构单元大小相同，这能够让每一个截面内的基本单元在冲击过程中能够同步变形，提高横向稳定性、能量吸收效率，提高抗冲击过程的平稳性；且受载变形过程中与受载平面相邻的四个侧面可同步向内发生收缩，具有较大的截面密度，较好的承载能力及吸能效果较好。
[0018]5.本专利技术应用广泛；本专利技术结构本身镂空，压缩行程长，适合广泛应用与各个相关领域。
附图说明
[0019]图1为基本单元的立体图。
[0020]图2为基本单元的爆炸视图。
[0021]图3为螺旋结构单元的立体图。
[0022]图4为螺旋结构单元的结构简图。
[0023]图5为立方体框架的立体图。
[0024]图6为立方体框架的俯视图。
[0025]图7为三维爪形结构的立体图。
[0026]图8为三维爪形结构的俯视图。
[0027]图9为三维爪形结构在载荷作用下应变值为0时的应变云图。
[0028]图10为三维爪形结构在载荷作用下应变值为0.1时的应变云图。
[0029]图11为三维爪形结构在载荷作用下应变值为0.2时的应变云图。
[0030]图12为三维爪形结构在载荷作用下应变值为0.4时的应变云图。
[0031]图13为三维爪形结构在载荷作用下应变值为0.6时的应变云图。
[0032]图14为三维爪形结构在载荷作用下应变值为0.7时的应变云图。
[0033]其中，1为螺旋结构单元，2为弧形杆，3为连接杆，4为基本单元，5为立方体框架，6为转轴。
具体实施方式
[0034]下面将结合具体实施方式来对本专利技术做进一步详细的说明。
[0035]一种具有负泊松比特性的三维爪形结构，包括多个基本单元，基本单元包括三个螺旋结构单元，螺旋结构单元包括四个弧形杆、四个连接杆；四个弧形杆的一端连接至同一连接点，四个弧形杆间隔90
°
设置；四个连接杆的一端分别与四个弧形杆的另一端连接，连接杆的另一端向弧形杆外侧延伸；三个螺旋结构单元中，一个螺旋结构单元水平放置，两个螺旋结构单元竖直且重合放置；水平放置的螺旋结构单元的连接点与两个竖直本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有负泊松比特性的三维爪形结构，其特征在于：包括多个基本单元，基本单元包括三个螺旋结构单元，螺旋结构单元包括四个弧形杆、四个连接杆；四个弧形杆的一端连接至同一连接点，四个弧形杆间隔90
°
设置；四个连接杆的一端分别与四个弧形杆的另一端连接，连接杆的另一端向弧形杆外侧延伸；三个螺旋结构单元中，一个螺旋结构单元水平放置，两个螺旋结构单元竖直且重合放置；水平放置的螺旋结构单元的连接点与两个竖直且重合放置的螺旋结构单元的连接点重合；竖直且重合放置的两个螺旋结构单元中，以经过连接点的竖线为转轴，一个螺旋结构单元沿转轴相对于另一个螺旋结构单元旋转90
°
设置。2.按照权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的三维爪形结构，其特征在于：多个基本单元中，每八个基本单元连接形成立方体框架；立方体框架中，相邻的基本单元之间通过相对应的连接杆的另一端连接；三维爪形结构通过多个立方体框架在水平方向和竖直方向堆叠形成。3.按照权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的三维爪形结构，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李方义，陈修杰，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：