一种管增强负泊松比蜂窝结构及其缺韧带衍生结构和应用

本发明涉及防护型功能材料，尤其涉及一种管增强负泊松比蜂窝结构及其缺韧带衍生结构和应用。

背景技术：

1、轻量化多功能结构是航空、车载、工业设备防护领域的重要发展方向。该领域普遍需要在具有轻量化的前提下，还要兼备抗冲击吸能和弹性波隔振等功能。拓扑结构是满足上述多重需求的研究方向之一。

2、常用的拓扑结构如负泊松比蜂窝结构、薄壁方管或以此为基础的增强，由于其独特的变形机制，在冲击吸能领域展现出优越性能。如中国专利cn120327033a公开了一种基于对称型负泊松比减振吸能蜂窝夹芯结构，采用对称型箭形蜂窝胞元排列以提升回弹韧性和抗冲击性能。王曦晨,等.增强型内凹蜂窝结构的压缩力学性能研究[j].中国海洋大学学报,2026.通过内凹蜂窝和双菱形增强结构，提升平台应力75.1%和吸能45.5%。

3、发明人研究发现，常规负泊松比蜂窝、薄壁方管仅具备单一吸能功能，无有效振动控制能力；简单拼接式蜂窝管材复合结构仅实现性能线性叠加，不存在拓扑耦合效应，无法兼顾吸能与隔振；导致现有周期超材料带隙主要集中于中低频区间，难以覆盖100~2000hz中高频振动区间。同时，吸能、隔振两类功能存在机理互斥，常规结构优化只能牺牲一项性能换取另一项提升；同时材料的制造带来壁厚减薄、模量衰减等加工缺陷，导致现有超材料鲁棒性差，难以规模化。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种管增强负泊松比蜂窝结构及其缺韧带衍生结构和应用，以解决现有的拓扑结构无法兼顾吸能与隔振的技术问题。

2、基于上述目的，本发明提供了一种管增强负泊松比蜂窝结构，包括周期阵列排布的单胞，所述单胞包括基体和内置体，所述内置体采用三维无缝拓扑方式竖向内置于所述基体内。

3、同时，提供一种所述管增强负泊松比蜂窝结构的缺韧带衍生结构，所述缺韧带衍生结构是单胞单侧缺韧带构型，所述单胞单侧缺韧带构型是在所述单胞的单侧去除完整连接韧带，在所述单胞内部引入局部拓扑缺陷。

4、还提供一种所述管增强负泊松比蜂窝结构的缺韧带衍生结构，所述缺韧带衍生结构是胞间交界缺韧带构型，所述胞间交界缺韧带构型是在完整周期阵列中切断相邻单胞共用交界韧带，在所述单胞间形成不连续弹性传递界面。

5、本发明的有益效果：

6、（1）提供一体化多功能拓扑设计策略，统一实现分级吸能与中高频振动控制，打破传统结构吸能、隔振性能互斥的设计壁垒。本发明的管增强负泊松比蜂窝结构并非单一构件，而是一套标准化拓扑设计思路，通过蜂窝与方管三维拓扑耦合形成双阶段吸能平台与中高频弹性波带隙，无需额外增设减振谐振件，轻量化前提下同步完成冲击防护与中高频振动抑制，可作为通用设计方案拓展至多类装备。

7、（2）两种缺韧带衍生结构分段覆盖中高频减振需求，适配不同机型振动特征，与成熟中高频隔振体系配套使用。现有无人机低频隔振方案完善；单胞单侧缺韧带构型聚焦400~2000hz，适配中小型消费无人机电机振动；胞间交界缺韧带构型覆盖100~2000hz宽频中高频，适配重载旋翼无人机，两类变体均保留完整坠机吸能能力，实现振动抑制与冲击防护一体化。

8、（3）三种结构性能梯度划分，选型清晰，覆盖多类装备工况。管增强负泊松比蜂窝结构适用于车载、工业设备通用防护；单胞单侧缺韧带构型适配中小型消费无人机；胞间交界缺韧带构型适配工业重载无人机，频段划分明确，可根据设备振动频率直接选用对应构型。

9、（4）统一无量纲参数体系搭配多目标优化，两项性能可同步提升。依靠梁宽比、管高比两组无量纲参数协同调控吸能平台高度、带隙起止频率；采用拉丁超立方采样、响应面代理模型、nsga-ii算法完成多目标优化，最优设计无需牺牲任意一项性能。

10、（5）结构制造容错性高，适配无人机批量增材制造。选择性激光烧结一体成型无装配界面，简化加工流程；针对增材制造常见壁厚、材料模量缺陷具备天然鲁棒性，常规加工公差下核心吸能、中高频隔振功能稳定，具备规模化量产工程价值。

1.一种管增强负泊松比蜂窝结构，其特征在于，包括周期阵列排布的单胞，所述单胞包括基体和内置体，所述内置体采用三维无缝拓扑方式竖向内置于所述基体内。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述三维无缝拓扑方式为所述内置体的四角与所述基体的内角几何连续无装配缝隙。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述基体为凹角负泊松比蜂窝，所述内置体为薄壁方管。

4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述单胞的梁宽比的取值范围为0.2~0.8，管高比的取值范围为0.5~0.8。

5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述梁宽比，所述管高比，其中，为凹角负泊松比蜂窝斜韧带的长度，b为单胞的宽度，为薄壁方管的高度，h为单胞的高度。

6.一种权利要求1~5任一所述管增强负泊松比蜂窝结构的缺韧带衍生结构，其特征在于，所述缺韧带衍生结构是单胞单侧缺韧带构型，所述单胞单侧缺韧带构型是在所述单胞的单侧去除完整连接韧带，在所述单胞内部引入局部拓扑缺陷。

7.根据权利要求6所述的缺韧带衍生结构，其特征在于，所述单胞单侧缺韧带构型是在保留薄壁特征及厚度不缩放的条件下，所述单胞整体缩放1.5倍，所述构型隔振频段为400~2000hz。

8.一种权利要求1~5任一所述管增强负泊松比蜂窝结构的缺韧带衍生结构，其特征在于，所述缺韧带衍生结构是胞间交界缺韧带构型，所述胞间交界缺韧带构型是在完整周期阵列中切断相邻单胞共用交界韧带，在所述单胞间形成不连续弹性传递界面。

9.根据权利要求8所述的缺韧带衍生结构，其特征在于，所述胞间交界缺韧带构型是在保留薄壁特征及厚度不缩放的条件下，所述单胞整体缩放1.5倍，所述构型隔振频段为100~2000hz。

10.根据权利要求1或6或8所述的结构，其特征在于，所述结构采用选择性激光烧结一体成型，所述结构应用于无人机机臂和电机之间的吸能减振连接件。