[發明專利]多維多向負剛度超材料結構及其實現方法

在審

• 申請號: 202010531367.1
• 申請日: 2020-06-11
• 公開（公告）號: CN111737864A
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 楊德慶;任晨輝
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G16C60/00;B29C64/10;B33Y80/00;G06F119/14
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一類多維多向負剛度超材料結構及其實現方法，采用布拉菲點陣為負剛度超材料“骨架”，在每個點陣點處布置一個負剛度基元作為基本微結構，設置相鄰負剛度基元之間通過短直梁連接，本發明能夠實現二維和三維的在多個方向同時呈現負剛度效應的超材料構型，構成超材料的基元構型尺度不受限制，可以是微觀材料(小于或等于1mm)和宏觀結構(大于或等于1mm)，豐富了負剛度超材料的應用場景。

技術領域

本發明涉及的是一種超材料結構設計領域的技術，具體是一類多維多向負剛度超材料結構及其實現方法。

背景技術

變剛度超材料是指超材料在變形過程中因結構變化而具備多種剛度特性，其中屈曲型負剛度超材料在外載荷作用下發生彈性屈曲，位移增加而作用力減小，呈現負剛度效應。不同于傳統蜂窩超材料通過塑性變形吸收能量，負剛度超材料在壓縮載荷作用下表現出可恢復的彈性變形，因此具備可重復使用的優勢。

預制余弦形曲梁的初始形狀可表示為w₀(x)＝h/2·[1-cos(2πx/l)]，其中參數l為兩端點連線長度，稱為曲梁的跨長，h為梁中點到兩端點連線的距離，稱為曲梁的拱高。該梁在中點受集中力作用時發生屈曲而產生負剛度效應，被廣泛用作負剛度超材料微結構中的基本負剛度元素。基于余弦形曲梁的負剛度超材料在其余弦形曲梁中點法線方向受壓時，此方向上力-位移關系呈現局部斜率為負的效應，因此作為負剛度超材料實際使用中的主受力方向，具有重要的意義，負剛度超材料在該方向上具有良好的抗沖擊吸能特性。

現有技術在設計基于余弦形曲梁的負剛度超材料時，以二維平面構型為主，并且大部分僅在一個方向上具有負剛度效應。此外，在設計構型時僅考慮了某個特定的方向，無法實現任意的承載角度。因此，為了使負剛度超材料具有更普遍的適用性，發揮其在抗沖擊吸能材料領域的優勢，設計和研究二維和三維的在多個具有任意夾角的方向同時呈現負剛度效應的超材料，具有極其重要的科學意義和廣闊的應用前景。

經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號CN106960096A，記載了一種三維負剛度蜂窩結構及其制備方法，通過3D打印制備或者切割板的方式制備嵌片，并在嵌片上開槽，通過槽嵌鎖到一起，并進行釬焊，最終制成三維負剛度蜂窩結構。但該技術整體占用體積較大，空間利用率不高；結構僅在一個方向上呈現負剛度效應，載荷必須嚴格施加于該方向，因此無法適用于多軸受載工況。

發明內容

本發明針對現有負剛度超材料種類有限且類似，以及多數構型僅在一個方向上具有負剛度效應的問題，提出一類多維多向負剛度超材料結構及其實現方法，能夠實現二維和三維的在多個方向同時呈現負剛度效應的超材料構型，構成超材料的基元構型尺度不受限制，可以是微觀材料(小于或等于1mm)和宏觀結構(大于或等于1mm)，豐富了負剛度超材料的應用場景。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一類多維多向負剛度超材料結構的實現方法，采用布拉菲點陣為負剛度超材料“骨架”，在每個點陣點處布置一個負剛度基元作為基本微結構，設置相鄰負剛度基元之間通過短直梁連接。

所述的短直梁的兩端分別為兩個相鄰基元的兩組負剛度梁的中點，短直梁的軸線與這兩組負剛度梁的方向重合，負剛度基元中負剛度余弦形曲梁方向和該基元與相鄰基元的連線方向相同。

所述的負剛度基元為周期性負剛度超材料的基本微結構，包括余弦形曲梁及其支撐框架。

所述的布拉菲點陣包括：二維點陣和三維點陣。

所述的負剛度梁是指：平面或空間余弦形曲梁，其方向定義為余弦形軸線平面內過梁中點的法線方向。

本發明涉及上述方法得到的多維多向負剛度超材料結構，包括：

1)6種二維雙向負剛度超材料；

2)1種二維三向負剛度超材料；