可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料及其快速组装方法

1.本发明涉及点阵材料技术领域，尤其是涉及一种可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料及其快速组装方法。


背景技术：

2.点阵材料，作为一类典型的轻质力学超材料，由于其高比性能，在过去的二十年内一直是研究热点。然而，满足可兼具承载与特定变形功能需求的点阵微结构如何设计并实现快速制造仍然存在困难，限制了其工程应用范围。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料，既可以实现反复变形伸缩，又具有一定的承载能力，且具有零泊松比的特点，易于组装及重构，可以促进点阵材料的工程应用范围。
4.根据本发明第一方面实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料，包括第一连接头、第二连接头和曲面梁，所述第一连接头和所述第二连接头在z向上彼此相对间隔开地布置；所述曲面梁设置在所述第一连接头和所述第二连接头之间；所述点阵材料在z向载荷的作用下，所述曲面梁产生z向变形，但不影响x向与y向变形。
5.根据本发明第一方面实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料，具有如下优点，第一、本发明通过在第一连接头和第二连接头之间设置曲面梁，使得本发明的点阵材料既具有可变形性，可以实现能量吸收和耗散，又具有一定的支撑强度，变形后无需持续输出驱动力来保持形变；第二、不同构造和不同结构参数的曲面梁发生形变的临界值以及形变前后的高度不同，因此可以通过控制曲面梁的自身构造和自身结构参数，来使不同的点阵材料的高度连续变化以及可以发生形变的临界值连续变化；第三、由于本发明的点阵材料具有模块化的特点，可以通过在第一连接头和第二连接头上设置连接结构，将一个点阵材料的第一连接头和另一个点阵材料的第二连接头连接来实现两个点阵材料的连接，从而形成适用于不同工况的点阵结构，可设计性强，组装方便快捷，兼容性好，便于回收利用和重构；第四、本发明的点阵材料质轻，结构简单，制作方便。
6.在一些实施例中，所述曲面梁的两端分别直接与所述第一连接头和所述第二连接头固定。
7.在一些实施例中，可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料还包括中间连接体，所述中间连接体设置在所述第一连接头和所述第二连接头之间；所述曲面梁有多个，多个所述曲面梁中的一部分为第一曲面梁且其余部分为第二曲面梁，所述第一曲面梁设置在所述第一连接头和所述中间连接体之间，所述第二曲面梁设置在所述第二连接头和所述中间连接体之间。
8.在一些实施例中，所述第一曲面梁的两端分别直接与所述第一连接头和所述中间
连接体固定，所述第二曲面梁的两端分别直接与所述第二连接头和所述中间连接体固定。
9.在一些实施例中，所述第一曲面梁有n个，n个所述第一曲面梁的一端周向间隔开地固定于所述第一连接头，n个所述第一曲面梁的另一端固定于所述中间连接体，所述n大于等于2；所述第二曲面梁有m个，m个所述第二曲面梁的一端周向间隔开地固定于所述第二连接头，m个所述第二曲面梁的另一端固定于所述中间连接体，所述m大于等于2。
10.在一些实施例中，n个所述第一曲面梁和m个所述第二曲面梁相对于z向延伸的同一直线分别对称设置。
11.在一些实施例中，n个所述第一曲面梁和m个所述第二曲面梁在z向上对称设置。
12.在一些实施例中，所述中间连接体设有减重孔。
13.在一些实施例中，所述第一连接头的内侧和所述第二连接头的内侧分别形成有用于容纳所述曲面梁的凹腔。
14.在一些实施例中，所述第一连接头的外表面设有沿y向延伸的凹陷结构和沿x向延伸的第一销钉槽，所述第二连接头的外表面设有沿y向延伸的凸起结构和沿x向延伸的第二销钉槽，所述凹陷结构与所述凸起结构互补。
15.本发明第二方面还提出了一种可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料的快速组装方法。
16.根据本发明第二方面实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料的快速组装方法，所述可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料为本发明第一方面的一些实施例中所述可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料，所述快速组装方法包括：
17.s1：沿y方向推动一个所述点阵材料的所述第一连接头，使所述第一连接头上的所述凹陷结构沿另一个所述点阵材料的所述第二连接头上的所述凸起结构滑动，直至所述凹陷结构与所述凸起结构完全对合；
18.s2：将销钉插入所述第一销钉槽和所述第二销钉槽组合而成的销钉孔中，即可实现两个点阵材料的连接。
19.根据本发明第二方面实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料的快速组装方法，可以实现两个点阵材料的快速连接，有利于点阵材料之间实现快速的组装和重构。
20.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
21.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
22.图1为本发明实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料的结构示意图。
23.图2为本发明实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料中曲面梁的结构示意图。
24.图3为本发明实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料中曲面梁的俯视图。
25.图4为本发明实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料的侧视图。
26.图5为图4中的a-a剖视图。
27.图6为本发明实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料的俯视图。
28.图7为本发明实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料的仰视图。
29.图8为两个本发明实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料连接时的主视图。
30.图9为两个本发明实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料连接时的侧视图。
31.附图标记：
32.可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料1000
33.第一连接头1凹陷结构101第一销钉槽102
34.第二连接头2凸起结构201第二销钉槽202
35.曲面梁3第一曲面梁301第二曲面梁302
36.中间连接体4减重孔401
37.凹腔5厚度d宽度w跨度l高度h
具体实施方式
38.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
39.下面结合图1至图9来描述本发明的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料1000及其快速组装方法。
40.如图1至图9所示，根据本发明第一方面实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料1000，包括第一连接头1、第二连接头2和曲面梁3，第一连接头1和第二连接头2在z向上彼此相对间隔开地布置；曲面梁3设置在第一连接头1和第二连接头2之间；点阵材料1000在z向载荷的作用下，曲面梁3产生z向变形，但不影响x向与y向变形。
41.具体而言，第一连接头1和第二连接头2在z向上彼此相对间隔开地布置，第一连接头1和第二连接头2作为z向载荷的作用面，可以使z向载荷更加均匀地施加在曲面梁3上；第一连接头1和第二连接头2还可以起到为曲面梁3提供安装位置的作用；另外如图8和图9所示，还可以在第一连接头1和第二连接头2上设置连接结构，来将一个点阵材料1000的第一连接头1和另一个点阵材料1000的第二连接头2连接起来，实现两个点阵材料1000的连接，从而形成适用于不同工况的点阵结构，可设计性强，组装方便快捷，兼容性好。
42.曲面梁3设置在第一连接头1和第二连接头2之间，需要说明的是，曲面梁3具有可发生形变的临界值，当施加在第一连接头1和第二连接头2上的载荷大于临界值时，曲面梁3会直接形变到特定高度，或者由特定高度恢复到初始高度，并且在大于临界值的载荷作用下可以在初始高度和特定高度之间来回切换；当施加在第一连接头1和第二连接头2上的载荷小于临界值时，曲面梁3不会发生形变，即曲面梁3具有一定的支撑强度，从而本发明的点阵材料1000既具有可变形性，可以实现能量吸收和耗散，又具有一定的支撑强度，变形后无需持续输出驱动力来保持形变。其中，曲面梁3可以发生形变的临界值以及形变前后的高度由曲面梁3的自身构造和结构参数决定，曲面梁3的自身构造和结构参数包括曲面梁3的形状、厚度d、宽度w、跨度l、高度h、个数、材质以及两个曲面梁3之间的夹角等(如图1和图6所示)。其中曲面梁3可以为正弦梁(如图2所示)。不同构造和不同结构参数的曲面梁3发生形变的临界值以及形变前后的高度不同，因此可以通过控制曲面梁3的自身构造和自身结构参数，来使不同的点阵材料1000的高度连续变化以及可以发生形变的临界值连续变化。其
中，第一连接头1和第二连接头2之间的曲面梁3可以设置一个也可以设置多个。
43.点阵材料1000在z向载荷的作用下，曲面梁3产生z向变形，但不影响x向与y向变形。也就是说，本发明的点阵材料1000在受到z向载荷时，只会在z向上发生形变，即厚度会发生变化，而x向和y向上不会发生形变，即本发明的点阵材料1000的泊松比为零。
44.根据本发明第一方面实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料1000，具有如下优点，第一、本发明通过在第一连接头1和第二连接头2之间设置曲面梁3，使得本发明的点阵材料1000既具有可变形性，可以实现能量吸收和耗散，又具有一定的支撑强度，变形后无需持续输出驱动力来保持形变；第二、不同构造和不同结构参数的曲面梁3发生形变的临界值以及形变前后的高度不同，因此可以通过控制曲面梁3的自身构造和自身结构参数，来使不同的点阵材料1000的高度连续变化以及可以发生形变的临界值连续变化；第三、由于本发明的点阵材料1000具有模块化的特点，可以通过在第一连接头1和第二连接头2上设置连接结构，将一个点阵材料1000的第一连接头1和另一个点阵材料1000的第二连接头2连接来实现两个点阵材料1000的连接，从而形成适用于不同工况的点阵结构，可设计性强，组装方便快捷，兼容性好，便于回收利用和重构；第四、本发明的点阵材料1000质轻，结构简单，制作方便。
45.在一些实施例中，曲面梁3的两端分别直接与第一连接头1和第二连接头2固定。例如，第一连接头1和第二连接头2之间仅设置有一个曲面梁3，曲面梁3的两端与第一连接头1和第二连接头2直接连接固定。第一连接头1和第二连接头2之间也可以设置有多个曲面梁3，多个曲面梁3的两端均分别与第一连接头1和第二连接头2直接连接固定。
46.在一些实施例中，可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料1000还包括中间连接体4，中间连接体4设置在第一连接头1和第二连接头2之间；曲面梁3有多个，多个曲面梁3中的一部分为第一曲面梁301且其余部分为第二曲面梁302，第一曲面梁301设置在第一连接头1和中间连接体4之间，第二曲面梁302设置在第二连接头2和中间连接体4之间。可以理解的是，通过设置中间连接体4，可以使第一连接头1和第二连接头2之间在z向上设置至少两组曲面梁3，这样可以实现第一曲面梁301和第二曲面梁302变形能力的叠加，可以极大地增加本发明的点阵材料1000的厚度，以及本发明的点阵材料1000可实现的厚度变化，以满足不同的使用需求。可以理解的是，第一连接头1和第二连接头2之间的中间连接体4也可以根据需要设置多个，相邻的中间连接体4之间通过曲面梁3连接，从而可以进一步增加本发明的点阵材料1000的变形能力，可变形范围更大。
47.在一些实施例中，如图1、图4和图5所示，第一曲面梁301的两端分别直接与第一连接头1和中间连接体4固定，第二曲面梁302的两端分别直接与第二连接头2和中间连接体4固定，从而可以实现第一曲面梁301和第二曲面梁302变形能力的叠加，可以极大地增加本发明的点阵材料1000的厚度，以及本发明的点阵材料1000可实现的厚度变化。其中，中间连接体4的外径可以小于第一连接头1和第二连接头2的的外径，也可以大于第一连接头1和第二连接头2的外径。
48.在一些实施例中，第一曲面梁301有n个，n个第一曲面梁301的一端周向间隔开地固定于第一连接头1，n个第一曲面梁301的另一端固定于中间连接体4，n大于等于2；第二曲面梁302有m个，m个第二曲面梁302的一端周向间隔开地固定于第二连接头2，m个第二曲面梁302的另一端固定于中间连接体4，m大于等于2，从而使本发明的点阵材料1000的结构更
加稳定。例如如图1至图5所示，第一曲面梁301和第二曲面梁302可以均设置有四个。
49.可选的，n个第一曲面梁301的另一端可以均固定于中间连接体4的同一位置处，n个第一曲面梁301的另一端也可以周向间隔开地固定在中间连接体4的不同位置处；m个第二曲面梁302的另一端可以均固定于中间连接体4的同一位置处，m个第二曲面梁302的另一端也可以周向间隔开地固定在中间连接体4的不同位置处。
50.在一些实施例中，如图1至图5所示，n个第一曲面梁301和m个第二曲面梁302相对于z向延伸的同一直线分别对称设置。也就是说，n个第一曲面梁301关于z向延伸的一条直线呈中心对称分布(如图3所示)，m个第二曲面梁302关于z向延伸的一条直线呈中心对称分布，且这两条直线相互重合，从而使本发明的整个点阵材料1000的结构更加稳定。例如，第一曲面梁301设置有四个，第二曲面梁302也设置有四个，四个第一曲面梁301的中心对称轴线和四个第二曲面梁302的中心对称轴线重合。
51.在一些实施例中，如图4所示，中间连接体4的中心轴线同时与n个第一曲面梁301的中心对称轴线和m个第二曲面梁302的中心对称轴线重合。
52.在一些实施例中，n个第一曲面梁301和m个第二曲面梁302在z向上对称设置，也就是说，n个第一曲面梁301和m个第二曲面梁302关于与z向垂直的平面对称，从而可以使本发明的点阵材料1000的结构更加稳定。
53.在一些实施例中，如图5所示，第一连接头1的内侧和第二连接头2的内侧分别形成有用于容纳曲面梁3的凹腔5。可以理解的是，第一连接头1的内侧和第二连接头2的内侧为连接有曲面梁3的一侧，在z向载荷的作用下，当曲面梁3发生形变后，部分或者全部曲面梁3会位于曲面梁3的凹腔5中，从而可以使得本发明的点阵材料1000在形变后的厚度更小，以满足不同的应用需求。其中，凹腔5的大小由曲面梁3的变形模式决定。另外在第一连接头12012和第二连接头2013上设置凹腔5还可以减轻本发明的点阵材料1000的重量。
54.在一些实施例中，如图5所示，中间连接体4设有减重孔401，从而可以减轻本发明的点阵材料1000的重量，使得本发明的点阵材料1000的质量更轻。
55.在一些实施例中，如图6和图7所示，第一连接头1的外表面设有沿y向延伸的凹陷结构101和沿x向延伸的第一销钉槽102，凹陷结构101和第一销钉槽102设置在第一连接头1的同一个侧面上，第二连接头2的外表面设有沿y向延伸的凸起结构201和沿x向延伸的第二销钉槽202，凹陷结构101与凸起结构201互补(如图8所示)。当需要连接两个点阵材料1000时，沿y方向推动一个点阵材料1000的第一连接头1，使第一连接头1上的凹陷结构101沿另一个点阵材料1000的第二连接头2上的凸起结构201滑动，直至凹陷结构101与凸起结构201完全对合，从而可以限定第一连接头1相对于第二连接头2在x向和z向上的位移，然后将销钉插入第一销钉槽102和第二销钉槽202组合而成的销钉孔中，从而可以限定第一连接头1相对于第二连接头2在y方向上的位移，最终实现第一连接头1和第二连接头2的连接，连接结构简单，连接方便，能实现点阵材料1000的快速组装与拆卸，又能保证连接可靠安全，并且凹陷结构101与凸起结构201可重复多次使用。当然，本发明的两个点阵材料1000还可以采用其他连接结构进行连接，例如卡槽和卡块的卡接，采用磁力吸合的方式进行连接、采用螺接的方式进行连接等等，可以根据实际需要进行选择。
56.在一些实施例中，第一连接头1、第二连接头2、曲面梁3和中间连接体4均采用尼龙材质制作而成，质轻，但不限于此，也可以采用其他任意材料。例如复合材料。
57.本发明第二方面还提出了一种可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料的快速组装方法。
58.根据本发明第二方面实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料的快速组装方法，可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料1000为本发明第一方面的一些实施例中可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料1000，该快速组装方法包括：
59.s1：沿y方向推动一个点阵材料1000的第一连接头1，使第一连接头1上的凹陷结构101沿另一个点阵材料1000的第二连接头2上的凸起结构201滑动，直至凹陷结构101与凸起结构201完全对合；
60.s2：将销钉插入第一销钉槽102和第二销钉槽202组合而成的销钉孔中，即可实现两个点阵材料1000的连接。
61.根据本发明第二方面实施例的可伸缩的零泊松比变厚度点阵材料的快速组装方法，可以实现两个点阵材料1000的快速连接，有利于点阵材料1000之间实现快速的组装和重构。
62.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
63.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。