[发明专利]一种具有负泊松比效应的连接件及其设计方法

说明书

本发明公开了一种具有负泊松比效应的连接件及其设计方法，此连接件具有负泊松比效应关键在于其外围包裹的管状结构外管，与外管相接的两个环状结构和内部圆柱体。将此连接件的外管和内部圆柱体分别固定在需要连接的两部分上，对此连接件外管上的两个环状结构施加压力，外管会向内收缩，其内壁与内部圆柱体的表面之间的摩擦力增加，从而使外管与内部圆柱体连接固定；反之，对此连接件外管上的两个环状结构施加拉力，外管向外扩张，外管与内部圆柱体分离。本发明设计的连接件非常的新颖，可以运用在许多地方，如笔帽、杯盖和绳子两端等，具有极大的商用价值。

技术领域

本发明涉及一种利用特殊管状结构来设计具有负泊松比效应的连接件，并提出了负泊松比连接件的设计方法，属于新材料和新结构领域。

背景技术

泊松比的概念由法国著名数学家泊松(Simon Denis Poisson，1781-1840)首次提出，用于描述在材料发生横向变形的同时伴随产生的纵向变形现象。大多数传统材料具有正泊松比，但随着经典弹性理论的发展，人们逐步意识到各向同性材料的弹性变形可以用两个独立参数表达：弹性模量和泊松比，且不同材料之间泊松比值相差很大。目前，经典弹性理论证明了各向同性材料的泊松比取值范围在-1.0～0.5之间。当泊松比为负值时，材料会表现出不同于传统材料的反常特性，例如横向受拉伸载荷时，负泊松比材料会沿纵向发生膨胀。最早关于负泊松比材料的报告出现在20世纪初期，化学家发现了自然界某些物质会表现出负泊松比效应，如黄铁矿、砷、镉、铁磁性薄膜以及FCC晶体等。同样，负泊松比效应在生物组织中也能找到佐证，如母牛乳头的部分皮肤。20世纪80年代，人工负泊松比材料大量涌现。1987年，Lakes首次通过对聚氨酯泡沫的热处理得到了负泊松比泡沫材料，并测得其泊松比值为-0.7。1989年，Evans等在制备具有微孔结构的聚四氟乙烯过程中也实现了负泊松比效应，并将其命名为拉胀材料(Auxetic material)。与传统正泊松比材料相比，负泊松比材料具有一些特殊的性质，具体表现在弹性模量与切变模量、压痕阻力和能量吸收等方面。因此，负泊松比材料在诸多领域都具有极大地应用前景。

连接件是起连接作用的零件。连接有许多方式，大体分为刚连接与铰连接。刚连接指被连接的物体既不能发生相对移动，又不能发生相对转动，而铰连接的物体可以发生相对转动。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，将负泊松比材料引进连接件中并设计了刚连接中一种新的连接方式，即利用负泊松比管状结构的压缩特性对构件进行约束。该连接件具有连接方法新颖、操作简单且造型美观等特点，具有极大地商业前景。

本发明采用的技术方案为：一种具有负泊松比效应的连接件，所述连接件为具有负泊松比效应连接件，该连接件外围包裹管状结构外管，管状结构外管表面为周期性排列孔洞结构，并与外管相接的两个环状结构和内部圆柱体配合；

所述管状结构外管上的孔洞结构形状包括椭圆形、三角形和多边形；

所述管状结构外管的直径D1与内部圆柱体直径D2满足关系：1＜D1/D2＜1.1；

所述环状结构的外直径D与管状结构外管的直径D1满足关系：1＜D/D1＜1.5；

所述管状结构外管长度H与内部圆柱体长度L满足关系：0.5＜H/L＜2；

所述连接件外管壁的外管厚度和外管长度满足关系：0.20＞外管厚度/外管长度＞0.08。

上述具有负泊松比效应的连接件的设计方法，包括以下步骤：

1)依据实际的使用情况，确定此连接件各组成部的尺寸，包括管状结构外管和内部圆柱体的形状和尺寸；

2)设计管状结构外管具有周期交替的孔洞结构的分布、形状和大小；

3)根据设计采用3D打印技术制备管状结构外管，该连接件的连接方法新颖且操作简单，符合实际使用需要；