[发明专利]一种具有梯度层叠特征的蛋盒型单胞及蛋盒型结构

说明书

本发明涉及机械超材料结构设计领域，具体是一种具有梯度层叠特征的蛋盒型单胞，该蛋盒型单胞包括上部单胞和下部单胞；所述上部单胞和下部单胞采用镜像对称方式设置；上部单胞和下部单胞的结构相同，均包括至少4层周期间距相同、成形高度不同、单胞单元基体厚度相同或不同的一类单胞单元以一定的布置方式构成梯度层。本发明的有益效果是；由于采用上述技术方案，本发明的蛋盒型单胞通过一类单胞单元的对称叠加，形成其力学特性沿厚度方向的梯度改变，具有结构梯度变化特征和面外负泊松比特性，提高了等效刚度、压缩特性、吸能特性、振动特性等力学性能。

技术领域

本发明涉及机械超材料结构设计领域，具体是一种具有梯度层叠特征的蛋盒型单胞及蛋盒型结构。

背景技术

轻质结构是一种具有极高孔隙率的高性能材料结构，其通过对材料面内周期单胞的合理设计来实现整体的结构性和功能性要求。从力学特性上来分析，轻质结构材料具有高比强度、高比表面积、负泊松比特征以及出色的缓冲吸能性。这种优异的综合力学特性使得其能够广泛地应用于高端技术装备的轻量化、抗冲击与毁伤、减振与降噪及强传热传质等结构体的制造中。蛋盒型结构是一种制备简单、用途广泛的轻质结构，可以通过对普通金属板材进行冲压和辊压的方式而高效进行制造，但是目前往往对其采用蛋盒型结构单板进行使用，这使得其综合力学特性的调控能力未能得到充分地发挥。事实上，蛋盒型结构非常容易通过制造工艺参数的调整而得到各种不同几何状态的蛋盒型结构单板，而这些单板通过合理设计的层叠组合就可以得到厚度方向上的力学状态呈现梯度分布并兼具有面外负泊松比特性的结构形态，从而满足轻质结构各种不同使用场景的要求。

发明内容

本发明公开了一种具有梯度层叠特征的蛋盒型单胞及蛋盒型结构，以解决现有技术的上述技术问题以及其他潜在问题中的任一问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种具有梯度层叠特征的蛋盒型单胞，所述蛋盒型单胞包括上部单胞和下部单胞；所述上部单胞和下部单胞采用镜像对称方式设置；

且所述上部单胞和下部单胞的结构相同，均包括至少4层的一类单胞单元，所述单胞单元的周期间距相同、单胞单元基体厚度相同、成形高度不同，且多层的一类单胞单元之间以一定的连接方式构成梯度层。

所述单胞单元的周期间距相同、单胞单元基体厚度不相同、成形高度不同。

所述单胞单元在第一方向(沿X轴方向)、第二方向(沿y轴方向)所在的二维平面上投影为形状为正方形，且所述正方形对称中心处有一波峰，四条边线的中心点处各有一波谷，所述波峰与波谷之间通过曲面连接。

进一步，所述连接方式为：奇数层为第n层与第n+1层之间是单胞单元最低点对单胞单元最低点进行叠加连接，n＝1,3,5,7···；

偶数层为第m层与第m+1层之间是单胞单元最高点的单胞单元最高点进行叠加连接，m＝2,4,6,8···i。

进一步，第n层单胞单元单元的成形高度小于第n+1层单胞单元单元的成形高度；第m层单胞单元单元的成形高度大于第m+1层单胞单元单元的成形高度。

一种具有梯度层叠特征的蛋盒型结构，所述蛋盒型结构是由上述的蛋盒型单胞以平面点阵排列方式组成。

每个所述蛋盒型单胞的周期间距相同。

一种梯度蛋盒型板，所述梯度蛋盒型板具上述的蛋盒型结构。

为了更好地发挥蛋盒型结构轻量化、抗冲击、吸能减振的优点，能够通过一定的手段来调节蛋盒型结构的等效刚度等力学性能，本发明设计了一种具有结构梯度变化特征和面外负泊松比特性的层叠式蛋盒型单胞。该蛋盒单胞一方面可以通过周期间距相同，但厚度、成形高度不同的单胞单元的叠加来形成力学特性沿厚度方向梯度改变的结构，另一方面又可以通过改变梯度差大小和梯度的分布方式来调节蛋盒型单胞的诸如等效刚度、压缩特性、吸能特性、振动特性等力学性能。