三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构

本发明涉及工程结构，尤其涉及一种三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构。

背景技术：

1、超材料是一类经过精心设计的人工结构材料，其机械性能主要由结构的设计，而不是基体材料的固有属性决定。相比于天然材料，超材料具有优异的性能，如出色的隔振效果、高效的能量吸收能力，以及超常的物理性质，如负泊松比，负刚度，负压缩性，压缩-扭转耦合等等，得到了学术界的广泛关注。

2、2017年，frenzel等人开创性地将四反手性结构集成在立方体单胞的六个面并将其阵列排布，首次提出压缩-扭转耦合效应及三维机械压扭超材料并实现了轴向单位应变下扭转角超过2°/％。这种超材料在单轴压缩过程中展示出沿压缩轴独特的扭转变形，可以有效地将平移运动转化为旋转运动，吸引了学者们的兴趣并激励他们探索出阵列型或圆柱壳型设计方法。zheng等人用倾斜的杆连接相邻的手性蜂窝层并将其阵列排布，得到了一类新型的三维压扭超材料。随后，他们将手性蜂窝环路替换为方格结构，并对影响扭转角的因素进行了分析。为了追求更大的扭转角，farrell等人设计了一种具有预变形韧带的圆柱壳状压扭结构。值得注意的是，这两类设计都存在不足：阵列设计的扭转角较小，且随着面内单胞数量增加，扭转效应逐渐消失；圆筒设计则具有较差的承载能力。

3、cn112820362a提出一种z字形压扭耦合超材料，其单胞由四根相同的正梁和成45°的斜梁组成，该方案中的结构可以看到明显的扭转效应，但是其结构的承载能力较差。

4、cn117703977a提出一种负泊松比压扭耦合蜂窝结构，其由多层扭转单胞和连接杆组成，但是该方案中的结构中同层相邻单胞之间的约束太强，因此随着同层单胞数量增加，扭转效应将逐渐消失。

5、因此，亟需提出一种新的三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构，以克服结构的低承载能力或弱扭转效应问题。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有的压扭耦合结构的低承载能力或弱扭转效应问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构，所述三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构包括多个压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构，每一所述压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构具有竖杆、与所述竖杆连接且向外倾斜的第一类斜杆、以及与不同的所述第一类斜杆交错连接的第二类斜杆，所述三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构经由所述压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构周期阵列形成。

3、更进一步地，所述竖杆包括分别沿为三维空间坐标系z轴正方向依次分布的第一竖杆、第二竖杆，其中，以与z轴正方向相同的一端为所述第一竖杆、所述第二竖杆的第一端，与z轴负方向相同的一端为所述第一竖杆、所述第二竖杆的第二端，定义第一竖杆的第二端、所述第二竖杆的第一端之间的距离为h，所述第一竖杆的第一端、所述第二竖杆的第二端之间的距离为h1，所述第一竖杆、所述第二竖杆的长度分别为(h-h1)/2；

4、所述第一类斜杆包括分别与所述第一竖杆、所述第二竖杆连接的4根第一类第一斜杆和4根第一类第二斜杆，其中：

5、所有所述第一类第一斜杆的第一端均与所述第一竖杆的第一端连接，不同的4根所述第一类第一斜杆的第二端分别沿x轴的正方向、y轴的正方向、x轴的负方向、y轴的负方向，向z轴的负方向延伸；

6、所有所述第一类第二斜杆的第一端均与所述第二竖杆的第二端连接，不同的4根所述第一类第二斜杆的第二端分别沿x轴的正方向、y轴的正方向、x轴的负方向、y轴的负方向，向z轴的正方向延伸；

7、所述第二类斜杆包括4根，每一所述第二类斜杆的第一端分别与不同的所述第一类第一斜杆的第二端连接，每一所述第二类斜杆的第二端分别与已连接的所述第一类第一斜杆所在x-z平面或y-z平面不同的其他平面上的所述第一类第二斜杆的第二端连接。

8、更进一步地，每一所述第一类第一斜杆所在直线与x-y平面之间、以及每一所述第一类第二斜杆所在直线与x-y平面之间呈角度为θ1的倾斜角。

9、更进一步地，每一所述第二类斜杆所在直线与x-y平面之间的夹角为θ2。

10、更进一步地，定义每一所述第一类斜杆的长度为l1，所述第一类斜杆在x-y平面上的投影长度为l，每一所述第二类斜杆的长度为l2，以z轴为原点、处于x轴的正方向、y轴的正方向、x轴的负方向、y轴的负方向其中的同一延伸方向上的所述第一类第一斜杆的第二端与所述第一类第二斜杆的第二端之间的距离为h2，所述竖杆、所述第一类斜杆、所述第二类斜杆的截面圆半径均为r，所述压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构的有效杨氏模量et满足：

11、

12、泊松比ν满足：

13、

14、转角刚度满足：

15、

16、其中，e为母材的杨氏模量，i＝πr4/64为圆截面惯性矩。

17、更进一步地，多个所述压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构之间通过共享所述压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构的杆的端点的方式相互连接。

18、更进一步地，多个所述压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构在三维空间坐标系中沿x轴、y轴、z轴方向周期阵列形成nx×ny×nz点阵结构。

19、本发明所达到的有益效果，在于提出了一种压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构，该结构通过调控独立参数及阵列个数，可以大范围调控结构的力学性能，在单轴压缩下，相较于现有结构具有优异的承载能力和稳定的扭转变形；并且，该点阵结构具有三个带隙，对带隙频率内的弹性波传播起到明显的抑制效果，具有较高的工程应用潜力。

技术特征：

1.一种三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构，其特征在于，所述三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构包括多个压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构，每一所述压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构具有竖杆、与所述竖杆连接且向外倾斜的第一类斜杆、以及与不同的所述第一类斜杆交错连接的第二类斜杆，所述三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构经由所述压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构周期阵列形成。

2.根据权利要求1所述的三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构，其特征在于，所述竖杆包括分别沿为三维空间坐标系z轴正方向依次分布的第一竖杆、第二竖杆，其中，以与z轴正方向相同的一端为所述第一竖杆、所述第二竖杆的第一端，与z轴负方向相同的一端为所述第一竖杆、所述第二竖杆的第二端，定义第一竖杆的第二端、所述第二竖杆的第一端之间的距离为h，所述第一竖杆的第一端、所述第二竖杆的第二端之间的距离为h1，所述第一竖杆、所述第二竖杆的长度分别为(h-h1)/2；

3.根据权利要求2所述的三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构，其特征在于，每一所述第一类第一斜杆所在直线与x-y平面之间、以及每一所述第一类第二斜杆所在直线与x-y平面之间呈角度为θ1的倾斜角。

4.根据权利要求3所述的三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构，其特征在于，每一所述第二类斜杆所在直线与x-y平面之间的夹角为θ2。

5.根据权利要求4所述的三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构，其特征在于，定义每一所述第一类斜杆的长度为l1，所述第一类斜杆在x-y平面上的投影长度为l，每一所述第二类斜杆的长度为l2，以z轴为原点、处于x轴的正方向、y轴的正方向、x轴的负方向、y轴的负方向其中的同一延伸方向上的所述第一类第一斜杆的第二端与所述第一类第二斜杆的第二端之间的距离为h2，所述竖杆、所述第一类斜杆、所述第二类斜杆的截面圆半径均为r，所述压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构的有效杨氏模量et满足：

6.根据权利要求1所述的三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构，其特征在于，多个所述压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构之间通过共享所述压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构的杆的端点的方式相互连接。

7.根据权利要求1所述的三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构，其特征在于，多个所述压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构在三维空间坐标系中沿x轴、y轴、z轴方向周期阵列形成nx×ny×nz点阵结构。

技术总结本发明涉及一种三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构，包括多个压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构，每一所述压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构具有竖杆、与所述竖杆连接且向外倾斜的第一类斜杆、以及与不同的所述第一类斜杆交错连接的第二类斜杆，所述三维压扭耦合负泊松比蜂窝点阵结构经由所述压扭耦合负泊松比蜂窝单胞结构周期阵列形成。本发明的结构具有优异的承载能力和稳定的扭转变形，对带隙频率范围内的弹性波传播起到明显的抑制效果，具有较高的工程应用潜力。技术研发人员：陈则尧,周怡鑫,吴柏生,陈新受保护的技术使用者：广东工业大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18