[发明专利]双稳态胞元及具有多层级结构的多稳态力学结构

说明书

本申请提出一种双稳态胞元及具有多层级结构的多稳态力学结构，所述双稳态胞元为中空的回转体，所述双稳态胞元的轴向中间部分的径向尺寸大于轴向两端部分的径向尺寸，所述双稳态胞元包括：第一圆台部，所述第一圆台部的内侧面与垂直于所述双稳态胞元的轴向的平面的夹角为45至70度；第二圆台部，所述第二圆台部的内侧面与垂直于所述双稳态胞元的轴向的平面的夹角为50至85度；第一弧面部，通过所述第一弧面部使所述第一圆台部和所述第二圆台部连续过渡地连接，所述第一弧面部的壁厚小于所述第一圆台部和/或所述第二圆台部的壁厚。通过采用上述技术方案，双稳态胞元的弧面部由厚度连续变化的曲面组成，避免了较高的应力集中而导致的失效。

技术领域

本申请属于多稳态力学结构领域，特别涉及一种双稳态胞元及具有多层级结构的多稳态力学结构。

背景技术

多稳态结构具有多个变形后稳定的状态，在外力载荷作用下，多稳态结构可以从初始构型变形为另一变形构型，并在卸载后保持该变形构型，并存储一定的弹性应变能。在施加反向载荷时，变形构型可以恢复到初始构型，使多稳态结构在外力作用下可以在不同稳态之间可逆地转换。

多稳态结构在隔振、能量吸收及可编程结构设计等领域有广泛的应用。多稳态结构可以将外界输入的能量转化为弹性应变能，相比于传统的能量耗散机制，如金属的塑性变形、陶瓷的脆性断裂以及率相关的粘性变形过程等，多稳态结构在材料的可重复利用方面具有明显的优势。

中国发明专利CN109826892B公开了一种可重复使用的多稳态吸能阵列组合结构，该结构可以承受冲击载荷并实现重复利用，但其吸能模块简单地重复阵列排布且互不干涉使得该结构仅在一个方向具有多稳态，在可能承受多方向载荷的工况下存在一定的局限性。

此外，已有的多稳态结构所采用的双稳态胞元多由杆件及其他一些连接件构成，杆件与杆件相交的节点处、连接件处以及材料厚度发生突变的位置会存在较大的应力集中，容易导致结构失效。

发明内容

本申请旨在提出一种双稳态胞元，使双稳态胞元不易出现应力集中而导致的失效。

本申请还提出一种具有多层级结构的多稳态力学结构，使其可以承受多个方向的载荷，并且可以在多个方向上具有多稳态。

本申请提出一种双稳态胞元，所述双稳态胞元为中空的回转体，所述双稳态胞元的轴向中间部分的径向尺寸大于轴向两端部分的径向尺寸，

所述双稳态胞元包括：

第一圆台部，所述第一圆台部的内侧面与垂直于所述双稳态胞元的轴向的平面的夹角为45至70度；

第二圆台部，所述第二圆台部的内侧面与垂直于所述双稳态胞元的轴向的平面的夹角为50至85度；

第一弧面部，通过所述第一弧面部使所述第一圆台部和所述第二圆台部连续过渡地连接，所述第一弧面部的壁厚小于所述第一圆台部和/或所述第二圆台部的壁厚。

优选地，在所述双稳态胞元受到轴向压缩载荷时，所述第一圆台部能以所述第一弧面部为转折点翻折伸入到该双稳态胞元的第二圆台部112中，从而使所述双稳态胞元的轴向长度减小。

优选地，所述双稳态胞元还包括第二弧面部和第三弧面部，所述第二弧面部和所述第三弧面部位于所述双稳态胞元的轴向两端，所述第二弧面部和所述第三弧面部的厚度均小于所述第一圆台部和/或所述第二圆台部的壁厚，

所述双稳态胞元的轴向两端的直径相同，在多个所述双稳态胞元依次连接的状态下，所述第二弧面部和所述第三弧面部连续过渡地相连。

优选地，所述第一弧面部、所述第二弧面部和所述第三弧面部的厚度均连续变化，使所述第一圆台部和所述第二圆台部连续过渡地连接。