[实用新型]一种具有负泊松比效应的护具

说明书

本实用新型公开了一种具有负泊松比效应的护具，包括护圈部分和衬垫的结构设计。护圈部分具有周期的孔洞结构。护具衬垫由内凹蜂窝结构构成，并且内凹蜂窝胞元的上下壁具有周期性的孔洞结构。本实用新型通过护圈部分的设计可以起到穿戴舒适的效果，减小对腿部或者手臂的作用力，护圈受到拉力会往外扩张方便使用者穿脱。通过衬垫的结构设计，可以提高衬垫的抗压性能，并且使其很好地贴合身体，减小使用者活动时造成的影响。在增加护具保护面积的同时，简化了制造工艺并使护具整体保持良好的曲面同向性和穿戴的舒适性。

技术领域

本实用新型涉及一种通过设计具有负泊松比穿孔结构来设计具有负泊松比效应的护具，属于新材料和新结构领域。

背景技术

护具是一种常见的运动产品。传统的护具护圈部分由弹性的纺织材料构成，比较紧绷，张力较大，对于体型偏胖的使用者穿戴极为不便，穿戴时用力地拉扯会造成对护具的损坏。戴在手臂或者腿部的时间过长，使用者也会感觉非常不适。护具的衬垫面积或者厚度过大会影响使用者手臂或者腿部的行动。

负泊松比材料和结构具有特殊的力学特性，其在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀)。穿孔板结构是负泊松比结构重要的一类，通过对薄片结构设置不同形状和分布的切孔，可以得到不同微结构的穿孔板结构，其二维材料在拉伸和压缩时可表现出负泊松比行为。穿孔板结构具有很大的灵活性，而不规则分布的穿孔、多级穿孔设置等设计赋予了穿孔板结构更多的设计灵活性。

本实用新型将负泊松比结构和3D打印技术相结合，设计出具有负泊松比效应的护具，护圈在轴向受拉以及衬垫在受压和受弯的情况下可以分别表现出负泊松比变形性能。通过护圈部分的设计可以起到穿戴舒适的效果，减小对腿部或者手臂的作用力，护圈受到拉力会往外扩张方便使用者穿脱。通过衬垫的结构设计，可以提高衬垫的抗压性能，并且让衬垫具备良好的曲面同向性，使用者活动时，衬垫能够很好地贴合身体，减小衬垫因面积或者厚度较大带来的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有护具的不足，利用负泊松比材料和负泊松比结构制造一种护具。护具的护圈部分受到拉力时会向外扩张，从而便于使用者穿脱。护圈多孔的结构也会提高使用者穿戴的舒适性。衬垫具有曲面同向性，使用者弯曲手臂或腿部时，衬垫不会对使用者造成干扰。

本实用新型采用的技术方案是：一种具有负泊松比效应的护具，包括具有负泊松比效应的护圈和衬垫，所述护圈为圆柱形，所述衬垫的横截面为圆弧形，衬垫套设在护圈的外面；

所述护圈具有周期性横竖交替的孔洞结构；

所述衬垫由具有周期性的内凹蜂窝结构组成，并且内凹蜂窝胞元的上下壁具有周期性横竖交替的孔洞结构；

所述护圈的纵向长度L1与衬垫的纵向长度L2的关系满足：0.87≥L2/L1≥0.67；

所述护圈的厚度T1满足：3mm≥T1≥1mm；

所述衬垫的厚度T2满足：20mm≥T2≥8mm；

所述护圈横截面的半径R满足：80mm≥R≥55mm；

所述衬垫横截面的圆弧弧度θ满足：200°≥θ≥120°。

作为优选，所述护圈和衬垫的孔洞结构的孔洞形状为椭圆形、多边形或旋转正方形。

上述一种具有负泊松比效应的护具的设计方法，包括以下步骤：

1)根据使用者腿部或者手臂的尺寸，确定护具各组成部分的形状和尺寸，包括护圈厚度T1、长度L1、横截面半径R，衬垫的厚度T2、长度L2以及衬垫横截面的圆弧弧度θ；

2)设计护具护圈部分具有周期性横竖交替的孔洞结构，并使护圈在满足3D打印要求的情况下，尽量减小孔洞的间距，在确定尺寸后选用TPU、PLA或PVA为基材进行3D打印制造；