一种基于卡扣原理的多稳态点阵结构及制造方法

本发明涉及机械超材料，具体涉及一种基于卡扣原理的多稳态点阵结构及制造方法。

背景技术：

1、点阵结构作为一类具有周期性胞元结构的新型机械超材料，具有优异的比强度、可控变形模式和高效能量吸收能力，在冲击防护、航空航天缓冲结构和机械能管理系统等领域展现出重要应用前景。

2、传统点阵结构在准静态或动态压缩载荷下，普遍遵循由低密度区向高密度区渐进坍塌的变形规律。这种变形机制导致其宏观力学响应呈现典型的三个阶段特征，即线弹性阶段、塑性平台阶段和致密化阶段。在塑性平台阶段，结构通过支杆的塑性屈曲实现能量耗散，但应力-应变曲线始终维持单调上升或近似恒定平台，无法产生载荷随位移增加而下降的负刚度效应。这种特性限制了点阵结构在需要主动调控能量吸收路径或多级耗散场景中的应用效能，如在非均匀冲击防护或可复位耗能装置中难以实现自适应响应。

3、为了赋予点阵结构负刚度特性，现有技术中引入了具有突弹跳变行为的薄壁梁单元。此类结构通常采用倾斜梁或余弦梁构型，当施加的纵向载荷超过临界阈值时，梁结构发生弹性屈曲并跨越能量壁垒，实现从第一稳态向第二稳态的跃迁，同时产生负刚度。

4、然而，此类基于柔性薄壁梁的多稳态机制存在固有缺陷：薄壁梁为实现弹性屈曲需保持低刚度特征，难以承受高承载场景下的压缩载荷。当与高强度点阵结构结合时，薄壁梁单元往往在点阵结构尚未进入塑性变形阶段时即提前触发稳态跃迁，导致多稳态机制与点阵结构主体变形过程相互分离，即先完成孤立的稳态跃迁事件，随后进入点阵结构的渐进压缩阶段，二者之间缺乏协同作用。这种非耦合响应无法实现压缩全周期的连续多稳态调控，更无法赋予点阵结构负刚度特性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于卡扣原理的多稳态点阵结构及制造方法，将y形支杆点阵结构与卡扣结构的机械互锁机制进行融合，形成具有全周期可控多稳态响应的点阵结构。

2、本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：

3、一种基于卡扣原理的多稳态点阵结构，包括：

4、立方体框架，所述立方体框架具有前表面、后表面、顶面、底面及两个侧面；

5、y形支撑单元，由弯曲支杆和支撑支杆组合构成；所述弯曲支杆以所述立方体框架前表面的上边中点和下边中点为圆心、以边长的一半为半径，经双圆弧曲线投影至对角面形成弧形中心线后，沿所述弧形中心线扫掠拉伸并切除立方体外多余部分而成；所述支撑支杆由所述弧形中心线的中点延伸至所述立方体框架底面的中心点形成支撑中心线后，沿所述支撑中心线扫掠拉伸而成；

6、上y形齿条支杆单元，由所述y形支撑单元向下对称复制获得，所述上y形齿条支杆单元的弯曲支杆端部设有齿条单元；所述齿条单元在所述立方体框架底面上的投影呈扇形，所述齿条单元由多齿条结构沿所述立方体框架的棱旋转90°获得，所述多齿条结构具有齿条长l、齿厚a1、齿条厚度a2、齿上倾角θ1和齿下倾角θ2；

7、下y形齿支杆单元，由所述y形支撑单元向下对称复制获得，所述下y形齿支杆单元的弯曲支杆端部开有用于容纳所述齿条单元的承接槽，所述承接槽的顶部设有用于与所述齿条单元的齿槽配合的扇形悬臂齿；

8、卡扣基础结构，由所述上y形齿条支杆单元与所述下y形齿支杆单元组合而成，所述齿条单元与所述悬臂齿卡合；

9、多稳态点阵胞元，由所述卡扣基础结构连续进行两次对称复制，得到的四个卡扣基础结构组合而成；

10、多稳态点阵结构，由多个所述多稳态点阵胞元阵列排布而成。

11、按上述技术方案，所述弯曲支杆为圆沿所述弧形中心线扫掠拉伸而成的弧形杆件，所述支撑支杆为圆沿所述支撑中心线扫掠拉伸而成的直线杆件。

12、按上述技术方案，所述齿条单元包括多个沿所述弯曲支杆弧形延伸方向间隔排布的齿条。

13、按上述技术方案，所述下y形齿支杆单元的弯曲支杆端部和所述悬臂齿的两侧均开有角度为θ3的扇形剖口，使得悬臂齿在受压状态下向外发生变形以允许所述齿条单元沿所述弯曲支杆的弧形方向逐级滑移，并在卸载状态下回弹与所述齿条单元的齿槽形成多档位卡合锁定。

14、按上述技术方案，所述扇形剖口的角度θ3取为3°-10°。

15、按上述技术方案，所述扇形剖口和所述悬臂齿具有相同的圆心，扇形剖口的高度与承接槽的高度相同。

16、按上述技术方案，四个所述卡扣基础结构在所述多稳态点阵胞元中呈中心对称分布。

17、按上述技术方案，所述多稳态点阵胞元在x、y、z三个方向上阵列排布，相邻的所述多稳态点阵胞元之间共享所述立方体框架的棱边。

18、按上述技术方案，所述齿上倾角θ1和齿下倾角θ2的和为90°。

19、按上述技术方案，所述多稳态点阵胞元的四个上y形齿条支杆单元的弯曲支杆一体成型，多稳态点阵胞元的四个下y形齿支杆单元的弯曲支杆一体成型。

20、本发明还提供了一种基于卡扣原理的多稳态结构制造方法，用于制造上述的基于卡扣原理的多稳态点阵结构，包括如下步骤：

21、s1，构建立方体框架，分别以前表面的上边中点和下边中点为圆心、边长的一半为半径画圆，得到双圆弧曲线；

22、s2，将双圆弧曲线投影至对角面，得到弧形中心线；连接弧形中心线的中点和立方体底面的中心点，得到支撑中心线；通过圆沿弧形中心线和支撑中心线扫掠拉伸，并切除立方体外多余的部分，得到弯曲支杆和支撑支杆，弯曲支杆和支撑支杆组合构成y形支撑单元；

23、s3，将y形支撑单元向下对称复制，得到上y形支杆单元和下y形支杆单元；

24、s4，在上y形支杆单元的弯曲支杆上设有齿条单元，所述齿条单元在立方体底面上的投影呈扇形，得到上y形齿条支杆单元；

25、s5，在下y形支杆单元的弯曲支杆上开有用于容纳齿条单元的承接槽，所述承接槽的顶部设有用于与齿条单元的齿槽配合的扇形的悬臂齿，得到下y形齿支杆单元；

26、s6，将上y形齿条支杆单元和下y形齿支杆单元组合，齿条单元与悬臂齿卡合，得到卡扣基础结构；将卡扣基础结构连续进行两次对称复制，得到由四个卡扣基础结构组成的多稳态点阵胞元；将多稳态点阵胞元阵列排布，得到多稳态点阵结构。

27、本发明具有以下有益效果：

28、本发明的多稳态点阵结构实现了全周期可控多稳态响应，突破了传统点阵结构单调变形的限制。多稳态点阵结构的整个轴向压缩进程可以分为弹性阶段、一阶塑性阶段、二阶塑性阶段和致密化阶段。一阶塑性阶段通过杠杆机制确保齿条定向位移，悬臂齿弹性弯曲与精准回弹，产生可控的负刚度平台；二阶塑性阶段通过支撑支杆的压缩强化与齿条直接驱动协同，维持稳态跃迁连续性。

29、一阶塑性阶段过程中，上y形齿条支杆单元的弯曲支杆向下移动，以支撑支杆为支点形成杠杆作用，带动齿条单元向上移动，从而推动下y形支杆单元的悬臂齿发生弹性弯曲，在度过峰值应力后，形成稳态跃迁。悬臂齿回弹时瞬时载荷释放，宏观应力出现瞬时显著下降（负刚度效应），随后进入一个载荷较稳态跃迁前降低的应力平台阶段。

30、二阶塑性阶段过程中，上y形齿条支杆单元的支撑支杆顶端高度与弯曲支杆的最高点齐平，使得支撑支杆顶端与压缩板直接接触，形成更直接的竖向载荷传递路劲，提供显著的二次刚度强化。同时，压缩板直接推动齿条单元向下移动，带动悬臂齿再次发生弹性弯曲，进而触发新的稳态跃迁。

31、承载性能显著提高，优化了应力传递路径，弯曲支杆的曲面分散局部应力集中，支撑支杆的轴向刚度有效抑制了点阵结构的早期屈曲失稳。

32、功能可编程性，能够通过调控几何参数实现定制化响应。弯曲支杆的曲率半径与支撑支杆的高度比决定了杠杆效应强度，能够影响负刚度幅度；齿条单元与悬臂齿的上下倾角影响稳态跃迁的触发阈值；齿厚与齿槽间距影响稳态跃迁的次数以及各次稳态跃迁发生的应变阈值。