一种同时考虑材料梯度与结构梯度设计的双材料曲边内凹负泊松比夹芯板

本发明属于蜂窝夹层结构，具体涉及一种同时考虑材料梯度与结构梯度设计的双材料曲边内凹负泊松比夹芯板设计方法。

背景技术：

1、泊松比是指当材料受到单向拉压时，横向正应变与纵向正应变比值的负数。自然界绝大部分天然材料均为正泊松比，负泊松比材料纵向伸长后横向会变长而不是收缩，也被称为拉胀材料。这种特殊的形变效应，使其相比于正泊松比材料具有更好的抗冲击、缓震及吸能效果。1987年lakes得到一种具有特殊微观结构的负泊松比材料，自此开始作为一种力学超材料蓬勃发展。随着加工技术的成熟，越来越多种类的负泊松比材料可以通过增材制造技术加工出来，其优异的性能使得负泊松比材料和结构在众多领域中具有巨大的潜在应用(如用于航空航天、医疗卫生、建筑等领域的某些特殊零部件)。

2、目前现有的负泊松比胞元大都是由单一材料组成，借鉴复合材料的设计思想，考虑不同种材料组合方式，将这一思想应用到负泊松比胞元结构设计中。相比单一材料负泊松比结构，多材料胞元设计能够将负泊松比特性与其材料组合所具有的优异性能结合起来。蜂窝材料具有轻质、比刚度高、稳定性强等特点，相比于实心板材，合理的内部结构设计使得蜂窝材料的防冲击减震效果更加完美，且更加节省成本。不仅材料特性对胞元力学性能会产生影响，不同种胞元的排布方式同样会影响结构的吸能效果。与均匀排布模式的结构相比，合理的梯度排布结构能够在降低初始力峰值、增强抗冲击性能和能量吸收能力等方面发挥显著的优势。目前随着负泊松比及增材技术的发展，越来越多的学者将负泊松比结构应用于蜂窝夹芯板中。而双材料负泊松比结构压溃时具有不同的变形失效模式，并呈现出优异的吸能特性，三者结合则更大的发挥优势。

3、目前汽车的使用率越来越高，已经成为家家户户必不可少的出行工具，所以其安全性更受到大家关注，在满足轻质以保证绿色环保节能的同时，还要兼顾防撞、抗冲击的性能来确保安全性，但目前现有的板材无法同时满足这两个要求，轻质则无法确保安全性，太过沉重的设计则使得汽车无法保证经济性。目前设计新的结构使夹层板既轻质又兼顾安全性是急需解决的问题。

技术实现思路

1、本公开提供了一种同时考虑材料梯度与结构梯度设计的双材料曲边内凹负泊松比夹芯板设计方法，重新构建了板层的内部结构，从而解决汽车设计生产过程中轻质安全无法兼顾的问题。

2、第一方面，本公开提供一种同时考虑材料梯度与结构梯度设计的双材料曲边内凹负泊松比夹芯板，包括上端板、芯层和下端板，所述芯层置于所述上端板和所述下端板之间，且与所述上端板和所述下端板固定连接；所述芯层为双材料曲边负泊松比梯度蜂窝层状结构，所述芯层由不同承载单元纵向梯度排布构成，所述承载单元由双材料内凹曲边负泊松比胞元横向阵列后面外拉伸制得。

3、优选的，所述双材料曲边胞元由横向纵向两种不同材料围合构成，且通过调节胞元尺寸及材料构成，横向阵列及面外拉伸后依次构成不同种类的承载单元，所述承载单元通过不同的梯度排布模式构成所述芯层，所述双材料曲边胞元连接有连接杆，所述连接杆与所述双材料曲边材料相同，所述双材料曲边成体为条状结构。

4、优选的，所述双材料曲边胞元由3d打印或者线切割技术制备。

5、优选的，所述双材料曲边胞元横纵向为圆弧，所述横纵向的角度为任意角度，所述横纵向的圆弧长度为任意圆弧长度，所述双材料曲边胞元的材料为不同的金属材料，所述连接杆相互垂直。

6、优选的，所述双材料曲边负泊松比胞元拉伸后构成单一承载单元，所述单一承载单元的横向阵列后构成承载单元主体，所述芯层由不同承载单元纵向梯度排布构成。

7、优选的，阵列后的所述承载单元通过所述连接杆相互连接，所述连接杆与所述上下板之间垂直固定。

8、优选的，所述承载单元由不同胞元阵列后拉伸而来，单个所述胞元拉伸后构成单一承载体。

9、第二方面，本公开提供一种双材料曲边负泊松比梯度蜂窝夹芯板的制备方法，包括以下步骤：

10、(1)选定初始的负泊松比单胞，改变其几何参数以得到不同结构属性的胞元；(2)所述横向杆件及纵向杆件由不同材料组成，得到材料属性不同的胞元；

11、(3)不同几何参数及材料参数构建不同单胞，以单胞为基础，面外拉伸之后构成单一承载单元，所述单一承载单元横向阵列后构成夹芯层单层承载单元主体，通过改变单层的排布顺序构成不同梯度模式的芯层，阵列后的所述承载单元由所述连接杆连接；

12、(4)所述芯层固定于所述上端板和下端板之间，所述连接杆与所述面板固定连接。

13、优选的，步骤(2)中，所述材料包括铝、铜、钢。

14、综上所述，本申请具有以下有益效果：

15、1、本申请中提供的双材料曲边负泊松比蜂窝夹芯板，由上、下铝合金板，中间双材料曲边负泊松比梯度蜂窝夹芯层构成，以双材料曲边结构为胞元，具有负泊松比效应，在面板受到冲击荷载时，相较于传统的层板夹层形式，缓冲、减震、吸能的效果更强；

16、2、本申请中将该夹层结构应用于汽车车身或吸能盒上，在保证汽车轻量化的同时，又在其受到冲击时可以吸收更多的能量，确保了其安全性；

17、3、本申请同时考虑材料梯度与结构梯度设计的双材料曲边内凹负泊松比夹芯板，重新构建了板层的内部结构，从而解决汽车设计生产过程中轻质安全无法兼顾的问题。

18、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开的保护范围。

技术特征：

1.一种同时考虑材料梯度与结构梯度设计的双材料曲边内凹负泊松比夹芯板，其特征在于，包括上端板、芯层和下端板，所述芯层置于所述上端板和所述下端板之间，且与所述上端板和所述下端板固定连接；所述芯层为双材料曲边负泊松比梯度蜂窝层状结构，所述芯层由不同承载单元纵向梯度排布构成，所述承载单元由双材料内凹曲边负泊松比胞元横向阵列后面外拉伸制得。

2.根据权利要求1所述的双材料曲边负泊松比梯度蜂窝夹芯板，其特征在于，所述双材料曲边胞元由横向纵向两种不同材料围合构成，且通过调节胞元尺寸及材料组成依次构成不同所述芯层，所述双材料曲边胞元连接有连接杆，所述连接杆与所述双材料曲边胞元曲边所在材料相同，所述双材料曲边单一承载单元成体为条状结构。

3.根据权利要求2所述的双材料曲边负泊松比梯度蜂窝夹芯板，其特征在于，所述双材料曲边承载单元由3d打印或者线切割技术制备。

4.根据权利要求1所述的双材料曲边负泊松比梯度蜂窝夹芯板，其特征在于，所述双材料曲边胞元横纵向为圆弧，所述横纵向的角度为任意角度，所述横纵向的圆弧长度为任意圆弧长度，所述双材料曲边胞元的材料为不同的金属材料，所述连接杆相互垂直。

5.根据权利要求1所述的双材料曲边负泊松比梯度蜂窝夹芯板，其特征在于，所述双材料曲边负泊松比胞元拉伸后构成单一承载单元，所述单一承载单元的平面内阵列后构成承载单元主体，承载单元通过不同梯度排布构成夹芯层主体。

6.根据权利要求1所述的双材料曲边负泊松比梯度蜂窝夹芯板，其特征在于，阵列后的所述承载单元通过所述连接杆相互连接，所述连接杆与所述上下板之间垂直固定。

7.根据权利要求1所述的双材料曲边负泊松比梯度蜂窝夹芯板，其特征在于，所述承载单元由胞元阵列后拉伸而来，单个所述胞元拉伸后构成单一承载体。

8.根据权利要求1-7任意一项所述双材料曲边负泊松比梯度蜂窝夹芯板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的双材料曲边负泊松比梯度蜂窝夹芯板，其特征在于，步骤(2)中，所述材料包括铝、铜、钢。

技术总结本申请涉及蜂窝夹层结构技术领域，更具体地说，它涉及一种同时考虑材料梯度与结构梯度设计的双材料曲边内凹负泊松比夹芯板设计方法。包括上端板、芯层和下端板，所述芯层置于所述上端板和所述下端板之间，且与所述上端板和所述下端板固定连接；所述芯层为双材料曲边负泊松比梯度蜂窝层状结构，所述芯层由双材料内凹曲边负泊松比胞元横向阵列后面外拉伸制得。重新构建了板层的内部结构，从而解决汽车设计生产过程中轻质安全无法兼顾的问题。技术研发人员：肖俊华,万武举,梁希,董浩受保护的技术使用者：燕山大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18