【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于超材料，具体涉及一种z向泊松比可控的三维晶格阵列结构。
技术介绍
1、随着人类工业水平不断提高，人们对材料结构的性能提出了更为广泛的要求。目前，绝大多数材料仍然为具有传统力学性能的材料，但是对于一些难以使用传统材料的场合，就需要设计具有非传统力学性能的材料结构。目前，新型力学性能的材料结构包括可调刚度结构、负泊松比机构、可编程结构等。
2、泊松比指的是材料在受拉伸或受压缩时，其横向应变与纵向应变之比，表示为传统材料在通常情况下，泊松比均为正值，即纵向受压时横向膨胀、纵向受拉时横向收缩。目前，许多新型结构材料具有负泊松比的特性，即纵向受压时横向收缩、纵向受拉时横向膨胀。这种材料具有新颖的变形特性与良好的吸能减振效果。
3、然而，当前的负泊松比结构大多为内凹多边形结构或者手性结构，且大多为二维负泊松比结构，即第三向形变不受第一、第二向形变的影响，且第三向泊松比数值不可变化。同时，内凹多边形结构易于形成密排结构，从而易于提高结构的整体形变率与结构利用率，但其承受应力的平台区域狭窄，会过早进入密实化阶段，因而变形能力较差；手性结构变形能力较强且吸能减振效果良好，但手性结构的中心环几乎不参与整体变形，导致手性结构的整体形变率与结构应用率较低。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，用于解决当前三维晶格阵列结构整体形变率低且z向泊松比不易调控的技术问题。
2、本专利
3、一种z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，包括周期性单元，多个周期性单元在水平方向以及竖直方向阵列连接排布构成z向泊松比可控的三维晶格阵列结构；每个周期性单元具有上底层和下底面，上底层或下底层通过阵列连接形成连续统一的结构，上底层之间通过相同倾斜角度的单元内层连接杆连接形成三维结构；在垂直方向上，相邻周期性单元之间通过单元间层连接杆连接；单元内层连接杆与单元间层连接杆的倾斜角度相同，并关于上底层或下底层对称设置。
4、优选地，上底层、下底层中均包含中心内凹弧边六边形，相邻中心内凹弧边六边形之间通过六个平面连接杆连接后形成手性结构；手性结构为周期性重复单元，中心内凹弧边六边形位于周期性重复单元的中心。
5、更优选地，平面连接杆的宽度t与中心内凹弧边六边形外接圆半径r的比值kt，平面连接杆的高度d与中心内凹弧边六边形外接圆半径r的比值kd，以及平面连接杆的长度l与中心内凹弧边六边形外接圆半径r的比值kl满足条件如下：
6、0＜kt＜0.5
7、0＜kd＜0.5
8、0＜kl＜20。
9、更优选地，当0＜α＜90°时，z向泊松比与为负值；当90°＜α＜180°时，z向泊松比与为正值，其中，α为单元内层连接杆或单元间层连接杆的倾斜方向与平面连接杆的延伸方向在垂直方向上的夹角。
10、更优选地，中心内凹弧边六边形包括六个内凹弧边，单元内层连接杆与相邻内凹弧边之间的夹角β，和单元间层连接杆与相邻内凹弧边之间的夹角β’关于下底层或上底层对称，且满足45°≤β＝β’≤90°。
11、更优选地，内凹弧边在各自对应弦长c固定不变的情况下，每个内凹弧边的圆心角θ满足30°≤θ≤120°。
12、优选地，单元内层连接杆与单元间层连接杆在阵列中呈交替排列，平面拉伸形成的上底层、下底层之间的高度h与每个周期性单元之间的高度h’，在z向泊松比设置为恒定值时，满足h＝h’。
13、优选地，单元内层连接杆与单元间层连接杆的数量相同，且为3、6或6的整数倍数。
14、更优选地，单元内层连接杆与单元间连接杆的横截面面积与三维阵列结构的弹性模量呈正相关。
15、优选地，单元内层连接杆与单元间层连接杆的横截面形状为圆形、椭圆形、三角形、四边形或边数≥5的正多边形，包括变截面杆，变截面杆的横截面是圆形、椭圆形、三角形、四边形或边数≥5的正多边形，通过建模手段形成的截面尺寸与截面形状逐渐变化的杆。
16、与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
17、一种z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，由周期性单元在水平方向以及竖直方向阵列连接排布构成z向泊松比可控的三维晶格阵列结构；每个单元的上底面与下底层围绕几何中心的方向相反，单元内层连接杆与单元间层连接杆的倾斜角度关于上底层或下底层对称；区分上底层与下底层、单元内层连接杆与单元间层连接杆，有利于防止结构阵列加工时出现混淆；设置周期性单元有利于单元之间的相互连接形成周期性晶格阵列结构，以降低加工制造的难度，同时形成的周期性阵列结构具有良好的吸能减振特性。
18、进一步的，中心内凹弧边六边形与手性结构在单元阵列后形成一种耦合式的新型负泊松比结构，其在受拉或受压时具有负泊松比特性，且中心内凹弧边六边形与手性结构均会发生形变，提升结构的整体形变率与材料利用率。
19、进一步的，平面连接杆的宽度t与中心内凹弧边六边形外接圆半径r的比值kt，平面连接杆的高度d与中心内凹弧边六边形外接圆半径r的比值kd，以及平面连接杆的长度l与中心内凹弧边六边形外接圆半径r的比值kl，满足条件：0＜kt＜0.5，0＜kd＜0.5，0＜kl＜20，该条件可保证结构稳定的负泊松比特性，kt与kd数值接近保证该结构的各部位尺寸接近以便于加工。
20、进一步的，单元内层连接杆或单元间层连接杆的倾斜方向与平面连接杆的延伸方向在垂直方向上的夹角α，可根据实际需求选择0＜α＜90°或90°＜α＜180°两个范围，可使z向产生负泊松比特性或正泊松比特性；在竖直方向的不同层单元内选择不同的α角可以实现阵列结构z向可控的泊松比特性。
21、进一步的，单元内层连接杆与相邻内凹弧边之间的夹角β，和单元间层连接杆与相邻内凹弧边之间的夹角β’关于下底层或上底层对称，可保证周期性单元形状恒定；满足45°≤β＝β’≤90°，可使周期性单元不被压溃。
22、进一步的，内凹弧边在各自对应弦长c固定不变的情况下，每个内凹弧边的圆心角θ满足30°≤θ≤120°，保证内凹弧边在承受压力载荷变形时不会发生过度挤压，以防止结构断裂。
23、进一步的，平面拉伸形成的上底层、下底层之间的高度h与每个周期性单元之间的高度h’，在泊松比设置为恒定值时，满足h＝h’，有利于结构整体的加工。
24、进一步的，单元内层连接杆与单元间层连接杆的数量相同，杆的数量设置为3、6或6的整数倍数以保证层与层之间的顺利连接；可根据实际需求改变杆的数量以调节结构整体的弹性模量。
25、进一步的，单元内层连接杆与单元间连接杆的横截面面积与三维阵列结构的弹性模量呈正相关，可根据实际需求增大或减小杆的横截面面积来实现结构整体弹性模量的增大或减小，以实现结构弹性模量的调节。
26、进一步的，单元内层连接杆与单元间层连接杆的横截面形状为圆形、椭圆形本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，其特征在于，包括周期性单元1，多个周期性单元1在水平方向以及竖直方向阵列连接排布构成z向泊松比可控的三维晶格阵列结构；每个周期性单元(1)具有上底层(3)和下底面(2)，上底层(3)或下底层(2)通过阵列连接形成连续统一的结构，上底层(3与下底层(2)之间通过相同倾斜角度的单元内层连接杆(41)连接形成三维结构；在垂直方向上，相邻周期性单元(1)之间通过单元间层连接杆(42)连接；单元内层连接杆(41)与单元间层连接杆(42)的倾斜角度相同，并关于上底层(3)或下底层(2)对称设置。
2.根据权利要求1所述的z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，其特征在于，上底层(3)、下底层(2)中均包含中心内凹弧边六边形(21)，相邻中心内凹弧边六边形(21)之间通过六个平面连接杆(221)连接后形成手性结构(22)；手性结构(22)为周期性重复单元，中心内凹弧边六边形(21)位于周期性重复单元的中心。
3.根据权利要求2所述的z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，其特征在于，平面连接杆(221)的宽度t与中心内凹弧边六边形(21)外
4.根据权利要求2所述的z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，其特征在于，当0＜α＜90°时，z向泊松比与为负值；当90°＜α＜180°时，z向泊松比与为正值，其中，α为单元内层连接杆(41)或单元间层连接杆(42)的倾斜方向与平面连接杆(221)的延伸方向在垂直方向上的夹角。
5.根据权利要求2所述的z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，其特征在于，中心内凹弧边六边形(21)包括六个内凹弧边(211)，单元内层连接杆(41)与相邻内凹弧边(211)之间的夹角β，和单元间层连接杆(42)与相邻内凹弧边(211)之间的夹角β’关于下底层(2)或上底层(3)对称，且满足45°≤β＝β’≤90°。
6.根据权利要求5所述的z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，其特征在于，内凹弧边(211)在各自对应弦长c固定不变的情况下，每个内凹弧边(211)的圆心角θ满足30°≤θ≤120°。
7.根据权利要求1所述的z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，其特征在于，单元内层连接杆(41)与单元间层连接杆(42)在阵列中呈交替排列，平面拉伸形成的上底层(3)、下底层(2)之间的高度h与每个周期性单元(1)之间的高度h’，在z向泊松比设置为恒定值时，满足h＝h’。
8.根据权利要求1所述的z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，其特征在于，单元内层连接杆(41)与单元间层连接杆(42)的数量相同，且为3、6或6的整数倍数。
9.根据权利要求8所述的z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，其特征在于，单元内层连接杆(41)与单元间连接杆(42)的横截面面积与三维阵列结构的弹性模量呈正相关。
10.根据权利要求1所述的z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，其特征在于，单元内层连接杆(41)与单元间层连接杆(42)的横截面形状为圆形、椭圆形、三角形、四边形或边数≥5的正多边形，包括变截面杆，变截面杆的横截面是圆形、椭圆形、三角形、四边形或边数≥5的正多边形，通过建模手段形成的截面尺寸与截面形状逐渐变化的杆。
...【技术特征摘要】
1.一种z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，其特征在于，包括周期性单元1，多个周期性单元1在水平方向以及竖直方向阵列连接排布构成z向泊松比可控的三维晶格阵列结构；每个周期性单元(1)具有上底层(3)和下底面(2)，上底层(3)或下底层(2)通过阵列连接形成连续统一的结构，上底层(3与下底层(2)之间通过相同倾斜角度的单元内层连接杆(41)连接形成三维结构；在垂直方向上，相邻周期性单元(1)之间通过单元间层连接杆(42)连接；单元内层连接杆(41)与单元间层连接杆(42)的倾斜角度相同，并关于上底层(3)或下底层(2)对称设置。
2.根据权利要求1所述的z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，其特征在于，上底层(3)、下底层(2)中均包含中心内凹弧边六边形(21)，相邻中心内凹弧边六边形(21)之间通过六个平面连接杆(221)连接后形成手性结构(22)；手性结构(22)为周期性重复单元，中心内凹弧边六边形(21)位于周期性重复单元的中心。
3.根据权利要求2所述的z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，其特征在于，平面连接杆(221)的宽度t与中心内凹弧边六边形(21)外接圆半径r的比值kt，平面连接杆(221)的高度d与中心内凹弧边六边形(21)外接圆半径r的比值kd，以及平面连接杆(221)的长度l与中心内凹弧边六边形(21)外接圆半径r的比值kl满足条件如下：
4.根据权利要求2所述的z向泊松比可控的三维晶格阵列结构，其特征在于，当0＜α＜90°时，z向泊松比与为负值；当90°＜α＜180°时，z向泊松比与为正值，其中，α为单元内层连接杆(41)或单元间层连接杆(42)的倾斜方向与平面连接杆(221)的延伸方向在垂直方向上的夹角...
【专利技术属性】
技术研发人员：王玲，刘书源，高宇飞，朱凌锋，李涤尘，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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