[发明专利]一种弹性参数大范围连续可调的齿轮力学超材料

说明书

本发明公开一种弹性参数大范围连续可调的齿轮力学超材料，包括齿轮阵列、框架和连接轴；所述齿轮阵列由力学超材料元胞沿x方向和y方向周期性延拓而成；所述元胞由多个齿轮排列构成，相邻齿轮之间相互啮合；所述齿轮包括一个中心孔和两个中心对称的异形孔，所述异形孔与齿轮外壁之间的悬臂的厚度均匀增大或减小；所述连接轴设置在所述齿轮的中心孔中，所述齿轮阵列通过连接轴与框架连接。本发明提供的力学超材料的等效杨氏模量、剪切模量、阻尼、各向异性等弹性参数都与啮合点悬臂的厚度密切相关，通过旋转超材料中的任意一个齿轮就能旋转超材料中所有齿轮，从而改变啮合点的悬臂厚度，实现对力学超材料弹性参数的光滑连续调控。

技术领域

本发明涉及力学与机械工程领域，具体是一种弹性参数大范围可调的齿轮力学超材料。

背景技术

当前，第四次工业革命已经到来，第四次工业革命的核心为智能结构与设备，比如自适应飞行器、自适应控制系统、智能连接器、智能振动噪声控制等等。设备的智能化要求制造设备的单元和材料智能可调。弹性特性(包括杨氏模量、剪切模量、变形模式)可调的力学材料能为智能设备的设计制备提供基础支撑。然而，传统的压电材料和形状记忆合金材料难以产生大范围弹性调节。新型智能材料设计存在诸多挑战。

力学超材料是指具有超常力学特性的人工材料，可以产生低密度高模量、负泊松比、手性等特性。典型结构有二维蜂窝结构、三维点阵结构、折叠结构、手性结构。力学超材料为航空航天、船舶、高铁、汽车等工业系统提供了重要的结构设计方案。可重构力学超材料是指能在外部刺激(如压缩力)作用下改变几何形状的力学超材料。几何形状的变化会导致力学属性的本质变化，如弹性模量、剪切模量、变形模式、阻尼、各向异性可从一个值突变到另外一个值。弹性特性的完美调节不仅需要大的参数调节范围，还需要密集的稳定调节状态。然而，当前设计的可重构力学超材料只能产生极少的稳定的重构状态，难以实现具有较大工程应用价值的智能材料设计。因此，大范围连续可调的智能材料设计需要新设计方案。

发明内容

本发明提供了一种弹性参数大范围连续可调的齿轮力学超材料，用于克服现有可重构力学超材料设计技术中弹性参数调节范围窄、稳定状态少、调控健壮性低等缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种弹性参数大范围连续可调的齿轮力学超材料，包括齿轮阵列、框架和连接轴；所述齿轮阵列由力学超材料元胞沿x方向和y方向周期性延拓而成；所述元胞由多个齿轮排列构成，相邻齿轮之间相互啮合；所述齿轮包括一个中心孔和两个中心对称的异形孔，所述异形孔与齿轮外壁之间的悬臂的厚度均匀增大或减小；所述连接轴设置在所述齿轮的中心孔中，所述齿轮阵列通过连接轴与框架连接。

进一步的，相邻两个齿轮的啮合方式包括正极性啮合和负极性啮合；相邻两个齿轮啮合点处的悬臂厚度一个逐渐增大另一个逐渐减小时为正极性啮合，相邻两个齿轮啮合点处的悬臂厚度同时增大或者减小时为负极性啮合。

进一步的，所述齿轮上两个中心对称的异形孔之间通过在同一水平线上的悬梁隔开，相互啮合的两个齿轮的悬梁之间有角度差，所述角度差为0至180度。

进一步的，所述框架的刚度小于齿轮啮合形成的最小刚度。

进一步的，所述框架为弹性框架，所述弹性框架由薄壁圆环周期性延拓而成，相邻两个薄壁圆环的连接点处设有带通孔的厚壁圆环；所述厚壁圆环的通孔套设在连接轴上，所述齿轮通过连接轴与所述厚壁圆环的通孔连接。

进一步的，每个所述力学超材料元胞由4个相互啮合的齿轮构成，4个齿轮按2×2的阵列排布。这种结构可作为用于调控杨氏模量、阻尼、各向异性参数的齿轮力学超材料。

进一步的，相邻两个齿轮按照正极性啮合方式或负极性啮合方式连接，每间隔一个齿轮的安装角度和安装正反面(同一个齿轮有正反两面)均相同。