[發明專利]一種負泊松比胞元及其蜂窩結構

有效

• 申請號: 202010575614.8
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111692270B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 劉宇;郝琪;田鈺楠;毛怡;崔宏偉
• 申請（專利權）人: 湖北汽車工業學院
• 主分類號: F16F15/00
• 分類號: F16F15/00;B60R19/18
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 楊傳武

本發明公開了一種負泊松比胞元及其蜂窩結構，該負泊松比胞元包括六條邊，其中左右側為弧邊，上下側為長邊，胞元內部存在兩條內豎桿，內豎桿分別與左右側的弧邊相接，胞元結構整體為上下左右對稱分布。將胞元與蜂窩結構結合可以得到性能表現更強的蜂窩堆疊結構，相鄰列胞元使用連接桿進行連接，得到了可應用于不同應用場景的二維及三維蜂窩結構。相較于傳統結構，其在受到外部載荷時，內部與弧邊相接的豎桿可抵抗弧邊變形，從而實現更高的吸能抗沖擊及承載性能。本發明克服了傳統負泊松比結構內部空隙過大、兩側凹角變形失穩且承載力差的缺陷，抗沖擊及承載吸能能力更優，結構簡單有效，使用胞元設計的蜂窩結構具有更加廣泛的應用范圍。

技術領域

本發明屬于新材料技術領域，具體涉及一種負泊松比胞元以及胞元構成的蜂窩結構。

背景技術

自然界廣泛應用的材料及結構一般具有正泊松比，其在受到單軸拉伸時橫截面面積變小，壓縮時橫截面面積增大。Lakes首次通過對聚氨酯泡沫的熱處理得到了負泊松比(Negative poisson's ratio，NPR)泡沫材料，1989年Evans等在研究具有微孔結構的聚四氟乙烯中實現了負泊松比效應，并將其命名為拉脹材料。與傳統材料相比，具有負泊松比效應的拉脹材料在受到拉伸時會發生側向膨脹，這種反常的“拉脹”行為使負泊松比蜂窩材料具有更高的抗沖擊、抗剪、能量吸收能力。在汽車碰撞中負泊松比結構在有效吸能的同時，材料出現收縮壓實，有效減小壓潰量，極大地調節了吸能與壓潰距離間的矛盾，具有良好吸能及耐撞性的負泊松比結構研究對于汽車碰撞保護及輕量化極為重要。

在對負泊松比結構的研究中國內外學者針對宏觀物理模型進行設計得到了滿足負泊松比變形特性的結構。Rothenburg將由竿、滑子和彈簧組成的宏觀結構進行部分內凹，實現了負泊松比特性。目前研究較多的為凹角六邊形結構，國內外學者對其進行了大量的沖擊仿真研究，探討了其負泊松比變形特性及結構性能。崔世堂等研究了凹角六邊形結構的面內沖擊動力學特性。Qiang等對凹角六邊形等結構進行了對比研究，研究發現凹角六邊形雖然具有穩定的能量吸收效果，但由于空隙率過大能量吸收仍未達到理想狀態。Wang等將凹角六邊形結構與汽車前端吸能盒結合，研究結果表明負泊松比前端保護結構可以提高汽車前端保護性能。

現有技術中存在的主要問題和缺陷包括：

雖然目前傳統的凹角六邊形結構在汽車碰撞等領域的應用研究皆表明其具有較好的防護作用，但在研究中傳統結構也表現出空隙率較大及兩側凹角變形不穩定的缺陷，其在受到外部載荷時發生變形的速度較快，對外界載荷的抵抗能力較差，承載力不足。

發明內容

針對現有技術中存在的上述問題和缺陷，本發明提供了一種負泊松比胞元及其蜂窩結構，相較于傳統結構，該胞元在變形時產生的相互抵消作用使胞元整體具有更好的承載與抗外部沖擊的能力。單純的胞元結構在應對復雜的應用場景時具有局限性，故將該胞元結構與目前應用較廣的蜂窩結構相結合，由胞元排列組合形成二維或三維蜂窩結構。胞元排列而成的二維蜂窩結構可廣泛應用于吸能夾層等平面結構，三維蜂窩結構則可應用于汽車吸能盒等立體填充場景，蜂窩結構在受到外部沖擊壓縮時結構中胞元皆呈現出典型的負泊松比兩向收縮的特性，通過單個胞元的承載及相鄰胞元間的組合承載從而表現出更加優越的承載吸能性能。

為此，本發明采用了以下技術方案：

一種負泊松比胞元，該負泊松比胞元包括六條邊，其中左右側為弧邊，上下側為長邊，胞元內部存在兩條內豎桿，內豎桿分別與左右側的弧邊相接，胞元結構整體為上下左右對稱分布。

優選地，在受到上部載荷壓縮時，在載荷壓縮方向及垂直載荷方向，結構變形模式皆呈現出向中收縮的形式；在受到載荷拉伸時，結構變形模式皆向外部進行膨脹。

優選地，所述弧邊向內部凹陷，弧邊與長邊相交處形成四個弧夾角。

優選地，所述弧夾角的取值范圍為10°-90°。

優選地，所述長邊和弧邊的截面形狀尺寸以及厚度均相同。