[發明專利]一種具有負泊松比效應的連接件及其設計方法

在審

• 申請號: 201910263811.3
• 申請日: 2019-04-02
• 公開（公告）號: CN109854575A
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: 任鑫;茍若雅;史雨桐;韓傳鎮;王仕龍;張相玉;王鑫源;錢程;韋文俊
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: F16B1/00
• 分類號: F16B1/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 徐激波

本發明公開了一種具有負泊松比效應的連接件及其設計方法，此連接件具有負泊松比效應關鍵在于其外圍包裹的管狀結構外管，與外管相接的兩個環狀結構和內部圓柱體。將此連接件的外管和內部圓柱體分別固定在需要連接的兩部分上，對此連接件外管上的兩個環狀結構施加壓力，外管會向內收縮，其內壁與內部圓柱體的表面之間的摩擦力增加，從而使外管與內部圓柱體連接固定；反之，對此連接件外管上的兩個環狀結構施加拉力，外管向外擴張，外管與內部圓柱體分離。本發明設計的連接件非常的新穎，可以運用在許多地方，如筆帽、杯蓋和繩子兩端等，具有極大的商用價值。

技術領域

本發明涉及一種利用特殊管狀結構來設計具有負泊松比效應的連接件，并提出了負泊松比連接件的設計方法，屬于新材料和新結構領域。

背景技術

泊松比的概念由法國著名數學家泊松(Simon Denis Poisson，1781-1840)首次提出，用于描述在材料發生橫向變形的同時伴隨產生的縱向變形現象。大多數傳統材料具有正泊松比，但隨著經典彈性理論的發展，人們逐步意識到各向同性材料的彈性變形可以用兩個獨立參數表達：彈性模量和泊松比，且不同材料之間泊松比值相差很大。目前，經典彈性理論證明了各向同性材料的泊松比取值范圍在-1.0～0.5之間。當泊松比為負值時，材料會表現出不同于傳統材料的反常特性，例如橫向受拉伸載荷時，負泊松比材料會沿縱向發生膨脹。最早關于負泊松比材料的報告出現在20世紀初期，化學家發現了自然界某些物質會表現出負泊松比效應，如黃鐵礦、砷、鎘、鐵磁性薄膜以及FCC晶體等。同樣，負泊松比效應在生物組織中也能找到佐證，如母牛乳頭的部分皮膚。20世紀80年代，人工負泊松比材料大量涌現。1987年，Lakes首次通過對聚氨酯泡沫的熱處理得到了負泊松比泡沫材料，并測得其泊松比值為-0.7。1989年，Evans等在制備具有微孔結構的聚四氟乙烯過程中也實現了負泊松比效應，并將其命名為拉脹材料(Auxetic material)。與傳統正泊松比材料相比，負泊松比材料具有一些特殊的性質，具體表現在彈性模量與切變模量、壓痕阻力和能量吸收等方面。因此，負泊松比材料在諸多領域都具有極大地應用前景。

連接件是起連接作用的零件。連接有許多方式，大體分為剛連接與鉸連接。剛連接指被連接的物體既不能發生相對移動，又不能發生相對轉動，而鉸連接的物體可以發生相對轉動。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術的不足，將負泊松比材料引進連接件中并設計了剛連接中一種新的連接方式，即利用負泊松比管狀結構的壓縮特性對構件進行約束。該連接件具有連接方法新穎、操作簡單且造型美觀等特點，具有極大地商業前景。

本發明采用的技術方案為：一種具有負泊松比效應的連接件，所述連接件為具有負泊松比效應連接件，該連接件外圍包裹管狀結構外管，管狀結構外管表面為周期性排列孔洞結構，并與外管相接的兩個環狀結構和內部圓柱體配合；

所述管狀結構外管上的孔洞結構形狀包括橢圓形、三角形和多邊形；

所述管狀結構外管的直徑D1與內部圓柱體直徑D2滿足關系：1＜D1/D2＜1.1；

所述環狀結構的外直徑D與管狀結構外管的直徑D1滿足關系：1＜D/D1＜1.5；

所述管狀結構外管長度H與內部圓柱體長度L滿足關系：0.5＜H/L＜2；

所述連接件外管壁的外管厚度和外管長度滿足關系：0.20＞外管厚度/外管長度＞0.08。

上述具有負泊松比效應的連接件的設計方法，包括以下步驟：

1)依據實際的使用情況，確定此連接件各組成部的尺寸，包括管狀結構外管和內部圓柱體的形狀和尺寸；

2)設計管狀結構外管具有周期交替的孔洞結構的分布、形狀和大小；

3)根據設計采用3D打印技術制備管狀結構外管，該連接件的連接方法新穎且操作簡單，符合實際使用需要；