一种基于旋转杆单元的负泊松比结构的制作方法

本发明涉及机械超材料结构设计技术领域，具体涉及一种基于旋转杆单元的负泊松比结构。

背景技术：

与传统材料相比，负泊松比材料具有独特的力学性能，如拉伸时膨胀，压缩时收缩，其在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等方面也更有优势。负泊松比材料表现出的轻质、高阻尼、吸声、隔热等物理特性，在功能材料中扮演重要角色，在医疗和航空航天领域已经得到应用，例如智能医用绷带、食道支架和负泊松比蜂窝弦侧防护结构等。

然而，现有的负泊松比材料的种类有限，在应用时选择余地小，而且单元结构日趋复杂，制备难度加大，限制了其实际应用。因此设计出结构简单的新型的负泊松比结构，具有重要理论意义和应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有技术中存在的问题，提供一种基于旋转杆单元的负泊松比结构，采用更加简单的细观结构实现负泊松比特性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于旋转杆单元的负泊松比结构，包括多个旋转杆单元，所述旋转杆单元包括两个柔顺曲梁单元、四根弯杆和两根直杆，所述两个柔顺曲梁单元连接在两根直杆之间，成对称分布，所述四根弯杆连接在两个柔顺曲梁单元上，成对称分布；所述左右相邻的旋转杆单元通过相对称的弯杆端部直接相连，所述上下相邻的旋转杆单元通过相对称的直杆端部直接相连。

进一步地，所述多个旋转杆单元在平面内周期性排布组合。

进一步地，所述直杆的宽度与所述柔顺曲梁单元的宽度之比为3:1。

进一步地，所述柔顺曲梁单元的宽度与所述弯杆的宽度之比为1:1。

进一步地，所述柔顺曲梁单元的长与所述弯杆的长度之比为1:1。

进一步地，所述弯杆的直线部分与x轴的夹角为27°。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种基于旋转杆单元的负泊松比结构具有受拉时垂直于拉力方向发生膨胀，压缩时垂直于压力方向收缩的特性。本发明提供的一种基于旋转杆单元的负泊松比结构是通过柔顺曲梁单元与弯杆连接处的弯矩来实现负泊松比效应的，采用柔顺曲梁单元，具有应力集中力小，便于能量储存转化的优点，这种负泊松比机制新颖，其结构简单、有效、可制备性好，增加了实际应用中选择的余地。

附图说明

图1为本发明旋转杆单元中柔顺曲梁单元的结构示意图；

图2为本发明旋转杆单元的结构示意图；

图3为本发明一种基于旋转杆单元的负泊松比结构的结构示意图；

图4为本发明一种基于旋转杆单元的负泊松比结构y方向拉升时材料在x方向上的位移云图；

图中，1-直杆，2-弯杆，3-柔顺曲梁单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1-3所示，本实施例的一种基于旋转杆单元的负泊松比结构包括多个旋转杆单元，旋转杆单元包括两根直杆1、四根弯杆2和两个柔顺曲梁单元3，两个柔顺曲梁单元3连接在两根直杆1之间，成对称分布，四根弯杆2连接在两个柔顺曲梁单元3上，成对称分布，左右相邻的旋转杆单元通过相对称的弯杆2端部直接相连，上下相邻的旋转杆单元通过相对称的直杆1端部直接相连。多个旋转杆单元在平面内周期性排布组合，成为负泊松比结构。

直杆1的宽度与柔顺曲梁单元3的宽度之比为3:1。这样可以避免两个曲梁单元的两端靠在一起后形成尖角，进而避免应力集中。

柔顺曲梁单元3的宽度与弯杆2的宽度之比为1:1，弯杆2的长度与柔顺曲梁单元3的长度之比为1:1，弯杆的长度为弯杆上最远两点间的垂直距离，柔顺曲梁单元长度为两端面间的距离，弯杆2的直线部分与x轴夹角为27°。

一种基于旋转杆单元的负泊松比结构受到y轴方向的拉力时，每个旋转杆单元的柔顺曲梁单元都会被拉直，同时，由于每个柔顺曲梁单元上还连接着弯杆，柔顺曲梁单元会给弯杆一个弯矩的作用，从而柔顺曲梁单元会带动弯杆在平面内转动；弯矩所导致的变形的差异会使得二维负泊松比结构在宏观大尺度上出现负泊松比效应。

采用有限元分析软件对本发明设计的负泊松比结构的负泊松比效应进行了仿真验证。在solidworks软件中建立实体模型后，将其导入ansys软件进行有限元分析，线弹性材料属性中的弹性模量设置为3gpa，泊松比设置为0.38，采用c3d10四面体单元。部分仿真结果如图4所示，从结构有受力变形示意图可以看出，当y轴方向施加拉升位移载荷时，x方向产生明显的膨胀，表现出显著的负泊松比效应。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种基于旋转杆单元的负泊松比结构，其特征在于，包括多个旋转杆单元，所述旋转杆单元包括两个柔顺曲梁单元、四根弯杆和两根直杆，所述两个柔顺曲梁单元连接在两根直杆之间，成对称分布，所述四根弯杆连接在两个柔顺曲梁单元上，成对称分布；所述左右相邻的旋转杆单元通过相对称的弯杆端部直接相连，所述上下相邻的旋转杆单元通过相对称的直杆端部直接相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋转杆单元的负泊松比结构，其特征在于，所述多个旋转杆单元在平面内周期性排布组合。

3.根据权利要求1所述的一种基于旋转杆单元的负泊松比结构，其特征在于，所述直杆的宽度与所述柔顺曲梁单元的宽度之比为3:1。

4.根据权利要求1所述的一种基于旋转杆单元的负泊松比结构，其特征在于，所述柔顺曲梁单元的宽度与所述弯杆的宽度之比为1:1。

5.根据权利要求1所述的一种基于旋转杆单元的负泊松比结构，其特征在于，所述柔顺曲梁单元的长度与所述弯杆的长度之比为1:1。

6.根据权利要求1所述的一种基于旋转杆单元的负泊松比结构，其特征在于，所述弯杆的直线部分与x轴的夹角为27°。

技术总结
本发明公开了一种基于旋转杆单元的负泊松比结构，包括多个旋转杆单元，多个旋转杆单元在平面内周期性排布组合，所述旋转杆单元包括两个柔顺曲梁单元、四根弯杆和两根直杆，所述两个柔顺曲梁单元连接在所述两根直杆之间，成对称分布，所述四根弯杆连接在所述两个柔顺曲梁单元上，成对称分布，左右相邻的旋转杆单元通过相对称的弯杆端部直接相连，上下相邻的旋转杆单元通过相对称的直杆端部直接相连。本发明提供的一种基于旋转杆单元的负泊松比结构简单、有效、可制备性好，具有应力集中力小，便于能量储存转化的优点。

技术研发人员：王权岱;杨新宇;惠振文;杨振朝;赵仁峰;袁启龙;李言
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2020.05.22
技术公布日：2020.08.21