力学超材料单元、力学超材料结构和力学超材料

本发明属于力学超材料，具体涉及一种力学超材料单元、力学超材料结构和力学超材料。

背景技术：

1、冲击载荷是一种十分常见的破坏方式，会对仪器设备和工程结构的正常使用造成威胁。根据作用方式的不同，冲击载荷可以分为：压缩冲击、剪切冲击、拉伸冲击等。拉伸冲击在日常生活中广泛存在，例如，如果桥梁悬索受到风力或交通载荷的作用，其主要受力就是拉伸冲击。在这种情况下，材料必须具有足够的抗拉伸冲击性能，以确保结构的安全性和可靠性。

2、力学超材料是一种人工设计的材料，通过微结构的精细设计而具有特殊性质，表现出常规材料所不具备的超常力学性能。在缓冲耗能领域，力学超材料也备受关注和研究。目前，缓冲耗能力学超材料主要包括两大类：不可回复超材料和可回复超材料。其中，不可回复超材料主要利用材料的塑性变形耗散冲击带来的能量，虽然耗能效果好，但往往面临不可重复使用的问题。可回复超材料主要利用材料的弹性变形吸收能量，具有可重复使用、维修成本低的优点，因此备受关注。目前大多数力学超材料主要研究抗压缩冲击以及抗剪切冲击，对于抗拉伸冲击的力学超材料研究相对较少，因此，设计新型拉伸缓冲力学超材料成为当前亟待解决的重要问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种力学超材料单元、力学超材料结构和力学超材料。该力学超材料单元对拉伸方向的冲击载荷具有优异的缓冲耗能效果，且能够重复使用。

2、在本发明的第一个方面，本发明提出了一种力学超材料单元。根据本发明的实施例，该力学超材料单元包括：

3、环状边框；

4、相向弯曲的第一弧形梁和第二弧形梁，所述第一弧形梁和所述第二弧形梁横向连接于所述环状边框相对的两侧，且在所述环状边框的周向上间隔设置，所述第一弧形梁的刚度与所述第二弧形梁的刚度不同；

5、相对设置的第一限位件和第二限位件，所述第一限位件设在所述第一弧形梁远离所述第二弧形梁的一侧，且与所述环状边框的内侧连接，所述第二限位件设在所述第二弧形梁远离所述第一弧形梁的一侧，且与所述环状边框的内侧连接。

6、根据本发明上述实施例的力学超材料单元，通过采用第一弧形梁和第二弧形梁横向连接于环状边框相对的两侧，并设置第一限位件和第二限位件，使得力学超材料单元结构简单紧凑。并且，由于第一弧形梁和第二弧形梁相向弯曲，环状边框在纵向拉伸下可以产生横向收缩，带动第一弧形梁和第二弧形梁从初始状态转变为相向的屈曲变形状态，然后进入相互接触的状态，随着环状边框的拉伸变形不断增加，第一弧形梁和第二弧形梁会围绕接触区域发生相对旋转，形成围绕接触区域的点对称构型，随后，由于第一弧形梁的刚度与第二弧形梁的刚度不同，第一弧形梁和第二弧形梁的屈曲模态会形成分岔，其中刚度较小的弧形梁进入高阶屈曲模态，而刚度较大的弧形梁则进入低阶屈曲模态，从而破坏原有的点对称构型，最后，高阶屈曲模态的弧形梁会在低阶屈曲模态的弧形梁的挤压作用下发生突跳，将自身的应变能转变为动能释放，可以实现显著的能量耗散效果，从而实现对拉伸方向的冲击载荷缓冲的功能，此时第一弧形梁和第二弧形梁处于同向屈曲的状态，接下来，第一限位件或第二限位件限制了突跳之后的弧形梁继续变形，从而防止力学超材料单元产生不可回复的塑性变形，在卸载时，第一弧形梁和第二弧形梁一直保持同向屈曲的状态，直到完全恢复到初始状态，由此，该力学超材料单元具有可重复使用性。由此，本发明的力学超材料单元结构简单紧凑，对拉伸方向的冲击载荷具有优异的缓冲耗能效果，且能够重复使用。

7、另外，根据本发明上述实施例的力学超材料单元还可以具有如下附加的技术特征：

8、在本发明的一些实施例中，所述环状边框包括多边形环状边框和/或圆环状边框。

9、在本发明的一些实施例中，所述环状边框包括八边形环状边框，所述第一限位件和所述第二限位件分别与所述八边形环状边框的沿横向延伸的两个平行边连接。

10、在本发明的一些实施例中，所述第一限位件和所述第二限位件分别独立地为中空结构。

11、在本发明的第二个方面，本发明提出了一种力学超材料结构。根据本发明的实施例，该力学超材料结构包括多个上述力学超材料单元。由此，该力学超材料结构对拉伸方向的冲击载荷具有优异的缓冲耗能效果，同时具有对力学超材料单元数量要求低、能够重复使用的特点。

12、另外，根据本发明上述实施例的力学超材料结构还可以具有如下附加的技术特征：

13、在本发明的一些实施例中，多个所述力学超材料单元按照m行n列的方式阵列排布，其中，m和n分别独立地为大于或等于1的整数，且m+n>2。

14、在本发明的一些实施例中，m≥2，且同一列的相邻两个所述力学超材料单元中，位于上方的力学超材料单元的下缘与位于下方的力学超材料单元的上缘连接。

15、在本发明的一些实施例中，m≥2，且同一列的相邻两个所述力学超材料单元中，位于上方的力学超材料单元的第二限位件与位于下方的力学超材料单元的第一限位件连接。

16、在本发明的一些实施例中，所述力学超材料结构还包括第一夹持件和第二夹持件，所述第一夹持件与每列所述力学超材料单元的上缘连接，所述第二夹持件与每列所述力学超材料单元的下缘连接。

17、在本发明的第三个方面，本发明提出了一种力学超材料。根据本发明的实施例，该力学超材料包括依次层叠的多个上述力学超材料结构。由此，该力学超材料对拉伸方向的冲击载荷具有优异的缓冲耗能效果，同时具有对力学超材料单元数量要求低、能够重复使用的特点。

18、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种力学超材料单元，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的力学超材料单元，其特征在于，所述环状边框包括多边形环状边框和/或圆环状边框。

3.根据权利要求1所述的力学超材料单元，其特征在于，所述环状边框包括八边形环状边框，所述第一限位件和所述第二限位件分别与所述八边形环状边框的沿横向延伸的两个平行边连接。

4.根据权利要求1所述的力学超材料单元，其特征在于，所述第一限位件和所述第二限位件分别独立地为中空结构。

5.一种力学超材料结构，其特征在于，包括多个权利要求1-4中任一项所述的力学超材料单元。

6.根据权利要求5所述的力学超材料结构，其特征在于，多个所述力学超材料单元按照m行n列的方式阵列排布，其中，m和n分别独立地为大于或等于1的整数，且m+n>2。

7.根据权利要求6所述的力学超材料结构，其特征在于，m≥2，且同一列的相邻两个所述力学超材料单元中，位于上方的力学超材料单元的下缘与位于下方的力学超材料单元的上缘连接。

8.根据权利要求6所述的力学超材料结构，其特征在于，m≥2，且同一列的相邻两个所述力学超材料单元中，位于上方的力学超材料单元的第二限位件与位于下方的力学超材料单元的第一限位件连接。

9.根据权利要求6所述的力学超材料结构，其特征在于，还包括第一夹持件和第二夹持件，所述第一夹持件与每列所述力学超材料单元的上缘连接，所述第二夹持件与每列所述力学超材料单元的下缘连接。

10.一种力学超材料，其特征在于，包括依次层叠的多个权利要求5-9中任一项所述的力学超材料结构。

技术总结本发明公开了一种力学超材料单元、力学超材料结构和力学超材料。该力学超材料单元包括环状边框、相向弯曲的第一弧形梁和第二弧形梁以及相对设置的第一限位件和第二限位件，所述第一弧形梁和所述第二弧形梁横向连接于所述环状边框相对的两侧，且在所述环状边框的周向上间隔设置，所述第一弧形梁的刚度与所述第二弧形梁的刚度不同，所述第一限位件设在所述第一弧形梁远离所述第二弧形梁的一侧，且与所述环状边框的内侧连接，所述第二限位件设在所述第二弧形梁远离所述第一弧形梁的一侧，且与所述环状边框的内侧连接。本发明的力学超材料单元对拉伸方向的冲击载荷具有优异的缓冲耗能效果，且能够重复使用。技术研发人员：周济,孙竞博,颜森受保护的技术使用者：清华大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25