[发明专利]一种可回复多步变形缓冲吸能超材料结构

说明书

本发明属于超材料技术领域，提出了一种可回复多步变形缓冲吸能超材料结构，其由多个单胞周期排列而成，单胞由交叉曲梁、弹性环、长方体框架和杆构成；交叉曲梁由两根曲梁组成，两组交叉曲梁分别安装在框架相对的两个面内而且弯曲方向相反；交叉曲梁的端部与长方体框架固定连接。弹性环的上、下端面分别与上、下交叉曲梁的中部通过杆进行连接，不同单胞的交叉曲梁中部通过杆进行连接；长方体框架未安装交叉曲梁的面通过共用框架的方式进行连接。本发明使用具有屈曲阶跃性质的交叉曲梁和具有几何大变形特点的弹性环，并通过二者的组合设计单胞结构，成功构造出具有可回复多步变形特点的可用于缓冲吸能的单胞和多胞超材料。

技术领域

本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种可回复多步变形缓冲吸能超材料结构。

背景技术

“超材料”是指通过人工设计微结构而具有特殊性质的人造材料，它能展现出构成材料不具备的超常物理性能。超材料在缓冲吸能领域也得到广泛的应用，主要分为不可回复和可回复超材料两大类。其中，不可回复的超材料主要利用材料的塑性变形吸收能量，特点是比能量高，缺点是不可重复使用。可回复类超材料主要利用材料的弹性变形吸收能量，可以重复使用，维修成本低，因而这类超材料收到广泛的关注，但这类超材料存在的一个典型缺点是吸收的能量较小，这也成为可回复类超材料发展的一个瓶颈。

现有的可回复类的缓冲吸能超材料，例如发明专利CN2020113864568所述的一种可回复六向缓冲吸能超材料及其设计方法，在六个方向上都具有可重复使用的缓冲吸能的能力，但这类超材料在一个方向上只具有一个作用力阈值，只对小于该级别强度的载荷具有较好的缓冲吸能效果。发明专利CN201710065664X所述的一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，通过多个单胞的周期排列赋予结构良好的缓冲吸能能力，但该总成内填充的单胞也只具有一个作用力阈值，无法应对多种级别的载荷。

发明内容

针对现有技术中的缺陷以及研究现状，本发明提供一种可回复多步变形缓冲吸能超材料结构。

本发明的技术方案如下：一种可回复多步变形缓冲吸能超材料结构，主要由N个完全相同的单胞周期排列而成；单胞包括交叉曲梁1、弹性环2、长方体框架3和杆4；长方体框架3为交叉曲梁提供安装空间，交叉曲梁1由两根曲梁1-1交叉而成，曲梁1-1端部分别固定连接于长方体框架3的两个相对面内，两个相对面内布置的交叉曲梁1弯曲方向相反；弹性环2由两根椭圆形的环状结构垂直交叉一体成型，其布置在长方体框架3的内部中心处；弹性环2的两交叉面分别与长方体框架3相对面内交叉曲梁1的交叉处通过杆4连接；不同层相邻单胞的交叉曲梁1交叉处通过杆4连接；同层相邻单胞通过长方体框架3未布置交叉曲梁1的端面相连成共用框架连接，多个单胞连接形成多胞超材料。

所述交叉曲梁1具有屈曲阶跃的性质，交叉曲梁1的刚度变化分为三阶段，依次为正刚度段、负刚度段和正刚度段。

所述弹性环2是正刚度结构，具有几何大变形的性质，在结构的组成材料处于线弹性阶段时，弹性环2的刚度变化为线性。

所述长方体框架3两个相对面内的交叉曲梁1分别和弹性环2在变形过程中刚度叠加，交叉曲梁与弹性环的连接形式为并联。

交叉曲梁1存在的负刚度与弹性环2的正刚度叠加形成准零刚度的组合，形成力-位移曲线中的平缓区。

本发明具有多步变形的特点，力-位移曲线具有两个力平缓区，可以在不增加作用力的前提下稳定地吸收能量。单胞中力的传递路径为杆4-一侧交叉曲梁1-杆4-弹性环2-杆4-另一侧交叉曲梁1-杆4-另一个单胞，作用于单胞的力，引起两组交叉曲梁1和弹性环2的变形，利用结构的弹性变形吸收能量，在吸收的能量耗散后，单胞回复其初始构型，便于重复使用。多胞超材料结构性能设计的关键是单胞的性能设计，单胞的力学性能决定了多胞超材料结构的力学性能，单胞具有可回复多步变形的缓冲吸能功能，则由该单胞周期排布组成的多胞超材料结构也具有可回复多步变形的缓冲吸能能力。