一种多功能负泊松比菱形蜂窝结构

本发明属于力学超材料，具体涉及一种多功能负泊松比菱形蜂窝结构。

背景技术：

1、材料屈曲通常被认为是一种不希望的结构失效模式，因为它会导致结构永久性的塑性变形甚至破坏。而对弹性材料的研究则改变了这一认知，弹性多孔材料的可逆的屈曲和后屈曲行为为多功能结构设计带来了新的机遇，如利用多孔材料中的机械不稳定性设计拉胀材料，开发软致动器，控制弹性波的传播，制造可重复使用的能量吸收材料、设计能量捕获装置以及设计具有可切换功能、形态改变的多尺度材料。一种被广泛研究的基于屈曲的弹性材料是模式转换机械超材料，其表现为材料被压缩超过阈值时，胞元发生协同屈曲，节点发生大范围旋转，这个过程通常会引起结构可调的泊松比，使结构的泊松比由正值变为负值，因此利用模式转换特性可以设计具有负泊松比效应的多孔结构。

2、一般的材料在受拉时出现横向收缩、受压时横向膨胀，而负泊松比材料则在结构在受拉时横向膨胀，受压时横向收缩。负泊松比的概念最早在18世纪就被提到，并且在之后对天然材料的研究中发现了具有负泊松比效应的材料，如黄铁矿晶体和承重松质骨等。并且一系列具有负泊松比效应的人造结构被相继提出，如凹角蜂窝、手性结构、联锁多边形结构、穿孔板结构、旋转多边形结构等都具有显著的负泊松比效应。由于负泊松比材料具有优异的抗剪切性、抗压痕性、曲面同向性和可变渗透率等特性，使其在国防军事、航空航天、生物医学、交通运输等领域被广泛应用。利用模式转换获得负泊松比效应多见于弹性穿孔板结构中，并逐渐将这种设计方法应用到蜂窝结构中，如正方形蜂窝、六边形蜂窝等。

3、蜂窝结构作为多孔结构的一种被广泛研究，其中菱形蜂窝结构作为一种理想的缓冲减振及吸能材料，具有压缩变形能力强、相对密度小、比强度高、易于设计制作等优点，被广泛应用于包装工程、车辆运输、航空航天、生物医学及建筑工程等多个领域。传统的菱形蜂窝在单轴压缩下会出现胞壁的全波弯曲变形，并且不会表现出负泊松比。实现蜂窝结构的负泊松比一般是运用凹角蜂窝设计方法，如内凹六边形蜂窝、箭头型蜂窝、星型蜂窝等，其形成负泊松比的机理是凹角蜂窝结构在承受拉/压载荷时，倾斜杆件在产生弯曲变形的同时会发生面内旋转，使得结构在受拉时向外膨胀，在受压时向内折叠收缩。这些倾斜杆件主要承受轴力和弯矩的作用，并且其通常具有较大的长细比，因此抵抗变形的能力较弱，结构的整体承载能力有限。而使菱形蜂窝出现负泊松比的方法通常是将菱形蜂窝与星型/箭头型蜂窝进行组合，这种做法得到的结构具有复杂的几何形状，不利于大规模生产制造，并且组合结构中的菱形结构主要起到增强和改善结构的力学性能的效果，并非使其直接产生负泊松比。如专利《一种星型-菱形负泊松比结构》2021111530054公开了一种星型—菱形组合蜂窝，在轴向压缩时，结构会出现颈缩而产生负泊松比效应。其基本组成胞元包括一个星型结构和四个单箭头型结构，其中两个单箭头相连呈菱形结构。这种设计提高了结构的负泊松比效应并使结构的变形更稳定，具有更广泛的平台阶段从而提高结构的吸能效果，但也使结构变得复杂，给大规模生产制作带来麻烦。同样，专利《一种x型负泊松比蜂窝结构》2022108695554是以菱形蜂窝为基础设计了x型蜂窝，在实现负泊松比的机理方面，其在面内轴向压缩下出现负泊松比是因为较长的倾斜杆件率先发生弯曲变形，使结构整体上出现横向收缩；平台应力提高的的策略方面，该专利的x型蜂窝设计是通过增加杆件数量共同承载、且增加的杆件增强了对结构的约束，以使结构的平台应力得以提高。

4、此外，以局部屈曲为特征的模式转换也会使多孔结构的泊松比由正值转变为负值，从而实现负泊松比效应，并且结构的力学性能优秀，变形均匀稳定，比如结构具有较高的刚度、稳健的平台阶段，节点的在压缩过程中的旋转等。但传统蜂窝结构在单轴压缩下不会出现模式转换，这是因为触发以局部屈曲为特征的模式转换总是高于触发结构发生弯曲变形或者整体屈曲所需要的应力。因此，要想实现菱形蜂窝的模式转换就要对其几何构型进行修改，从而改变结构的优先变形模式。

5、为了获得直接产生负泊松比效应的菱形蜂窝结构，本专利对菱形蜂窝的拓扑构型进行修改，将模式转换效应引入其中，设计出一种新的具有负泊松比效应的多功能菱形蜂窝结构，并且结构的刚度、平台应力等得到极大的提高。

6、作为同样是基于结构的模式转换来实现多孔结构的可调的负泊松比，专利《具有重复的细长孔图案的孔隙结构》201480024260是针对圆形孔隙正方形阵列的多孔结构发生模式转换后的图案进行设计的，几何构型不同于本专利，其按照变形后的孔隙形状在无应力状态下对平面板进行开孔，孔隙形状为交替正交排列的椭圆孔隙或具有类似椭圆孔特征的孔隙，从而在宏观应力/应变下获得期望的负泊松比，并通过调整孔隙率和孔的纵横比调整结构的力学特性。另外，在对模式转换特性的运用方面，其针对结构模式转换后的几何配置进行结构设计，使其直接出现负泊松比，这与本专利在单轴压缩下出现模式转换，从而使结构具有负泊松比效应具有明显区别。

技术实现思路

1、本发明提供了一种多功能负泊松比菱形蜂窝结构，通过调控变截面梁的角度和长度等参数实现菱形蜂窝变形模式的转变，具有优异的负泊松比效果，并且结构变形均匀，具有稳健的平台阶段可用于结构吸能，且结构形式简单，易于制作，可以通过浇筑、切割等传统方式大批量生产，解决了现有技术中存在的问题。

2、本发明提供了如下技术方案：

3、一种多功能负泊松比菱形蜂窝结构，包括多个在同一平面内周期性排列的单胞结构，各单胞结构依此首尾相连形成菱形蜂窝；

4、所述单胞结构包括四个直梁和四个变截面梁，各变截面梁的侧边与其所连接的直梁呈一定夹角设置，左、右相邻且对称的变截面梁的内侧相互连接形成内凹箭头结构，左、右相临且对称的变截面梁的外侧在竖直方向相连接。

5、进一步地，所述直梁由两第一倾斜胞壁和一第二倾斜胞壁组成；所述变截面梁由内截面梁胞壁和外截面梁胞壁组成，内、外截面梁胞壁在直梁轴线两侧对称设置；上、下相邻的外截面梁胞壁之间直接相连或连接有竖直胞壁。

6、进一步地，上、下相邻的两个单胞结构共用一个第二倾斜胞壁。

7、进一步地，所述直梁的厚度为t，直梁长度为le/2；变截面梁的侧边与其所连接的直梁的轴线的夹角为θ，变截面梁的轴线长度为l/2-le/2，变截面梁的截面宽度为t(x)＝t+2tanθ·x,x∈[0,l/2-le/2]。

8、进一步地，l为围成单个菱形蜂窝的上下相邻单胞结构的直梁轴向长度和变斜面梁的轴向长度加总；le为围成单个菱形蜂窝的上下相邻单胞结构的直梁长度加总。

9、进一步地，以上参数满足：le/l≤0.6；15°≤θ≤45°；0.08≤t/l≤0.16。

10、进一步地，所述多功能负泊松比菱形蜂窝结构在非线性弹性阻尼器中的应用。可用于制造可重复使用的非线性弹性阻尼器以用于结构减振。

11、本发明的有益效果：

12、1、相较现有技术，本发明是对菱形蜂窝结构进行的改进设计，几何构型简单，通过调整菱形蜂窝的拓扑构型，诱导其在单轴压缩下出现模式转换，从而使结构具有负泊松比效应；具体通过调控变截面梁的角度和长度等参数实现了菱形蜂窝变形模式的转变，当结构受压超过阈值时，结构的泊松比迅速由正值降为负值。

13、2、本发明通过增加节点的几何尺寸提高了结构的刚度和平台应力，新型菱形蜂窝在轴向压缩下的稳健的平台阶段使其具有良好的吸能效果。这种增强节点的设计提高了结构抵抗变形的能力，使得菱形蜂窝的杨氏模量、比刚度及平台应力等均大大提高，改进了结构的力学性能。并且结构的形式简单，易于制作，可以通过浇筑、切割等传统方式大批量生产。

14、3、本发明运用增强节点的方法将模式转换引入蜂窝结构中，模式转换使菱形蜂窝的节点具有转动特性，可产生大范围旋转，将结构的直线运动转化为节点的旋转运动，运用此特性可开发出扭转致动器等，由于在一些骨骼中也有类似的旋转效应，这为生物医学材料的开发带来宝贵的见解。

15、综上，本发明改善和丰富了菱形蜂窝结构的力学特性，拓宽了菱形蜂窝的应用范围。该设计思路和方法同样适用于正方形蜂窝和六边形蜂窝。