[发明专利]一种仿生仙人球刺负泊松比吸能结构及其设计方法

说明书

本发明涉及仿生仙人球刺负泊松比吸能结构技术领域，且公开了一种仿生仙人球刺负泊松比吸能结构，包括五爪形结构、圆环6，所述五爪形结构包括立杆根部截面、外杆、外杆头部接触面、立杆、内杆、立杆头部、内杆头部与圆环接触面，所述五爪形结构有6个且绕圆环等间距分布，所述内杆的一端与圆环的外壁固定连接，所述内杆远离圆环的一端与外杆的外壁固定连接，能够在不同方向受载亦能展现负泊松比效果，五爪形结构头小脚重设计，使得负泊松比结构不仅在纵向具有负泊松比效应，同时在横向也具有负泊松比效果，值得注意的是，横向负泊松比效应是具有梯度性质的。

技术领域

本发明涉及仿生仙人球刺负泊松比吸能结构技术领域，具体为一种仿生仙人球刺负泊松比吸能结构及其设计方法。

背景技术

负泊松比超材料作为一种典型的力学超材料，深受学者们青睐。截至今日，市面上对于吸能结构的应用还停留在传统的方形吸能盒上，对于一些吸能效果相对友好一点的点阵结构也只是概念化的提出，而吸能效果更佳的负泊松比吸能结构，也仅仅是停留在传统的内凹结构，简单四手性结构，箭形结构等等，对于比吸能更高的手性负泊松比结构，有着设计难度大的原因，在负泊松比吸能领域很少有概念化的提出，现有梯度负泊松比结构，大多以纵向梯度为主，对于横向梯度材料还比较缺乏，最后，我们常说的负泊松比材料大多是一个方向上具有负泊松比效果，也就是说只有在一个方向上受载变形才有负泊松比性能的优点，不能达到多方向受载亦能展现负泊松比的优异性能。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种仿生仙人球刺负泊松比吸能结构及其设计方法，解决了上述背景技术中提到的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种仿生仙人球刺负泊松比吸能结构，包括五爪形结构、圆环6，所述五爪形结构包括立杆根部截面、外杆、外杆头部接触面、立杆、内杆、立杆头部、内杆头部与圆环接触面，所述五爪形结构有6个且绕圆环等间距分布，所述内杆的一端与圆环的外壁固定连接，所述内杆远离圆环的一端与外杆的外壁固定连接，所述外杆与内杆相连的一端与立杆的底部固定连接，所述立杆根部接触面为立杆与外杆、内杆相连部位的横截面，所述外杆头部接触面为相邻两个五爪形结构中外杆相连部位的横截面，所述立杆头部为立杆远离内杆的一端，所述内杆头部与圆环接触面为内杆与圆环相连部位的横截面。

优选的，所述立杆头部的截面四边形长为c，宽为e，所述圆环的截面正方形边长均为f，所述圆环的内圈直径为D，相邻两外杆的外侧角度为γ-1，相邻两外杆的内侧角度为γ，相邻外杆和内杆的外侧角度为β-1，相邻外杆和内杆的内侧角度为β。

优选的，所述外杆的长度为L1，所述外杆头部接触面的宽度为a，所述立杆的长度为L2，所述立杆的宽度为c，所述外杆与立杆之间的角度为θ，所述立杆根部截面的四边形长为f、宽为g，所述立杆根部截面的四边形一个内角为φ，所述外杆的其一边缘线与外杆的边缘面的其一边缘线的角度为δ。

优选的，所述β的值为75.99°，β-1的值为72.24°，γ的值为135.58°，γ-1的值为130.93°，c的值为3.68mm，e的值为3.28mm，f的值为4.18mm，g的值为4.14mm，D的值为77.17mm，L1的值为52.36mm，L2的值为12.94mm，a的值为2.83mm，θ的值为90°，φ的值为90°，δ的值为106.11°。

优选的，所述外杆、内杆、立杆均是采用头小脚重的轻量化设计，且内杆与圆环相连的一端较细，使得该结构不仅在纵向具有负泊松比效应，同时在横向也具有负泊松比效果，横向负泊松比效应是具有梯度性质的，所述圆环是横截面为正方形，所述外杆、内杆、立杆支柱轴向上的长度小于切向上的长度，减小层间距离，提高受冲击后的刚度，同时进一步提高该结构的比吸能。

优选的，所述外杆的根部粗头部细是仿生仙人球刺中的大刺设计，所述立杆是由外杆截取一定长度，同样根部粗头部细是仿生仙人球中的小刺设计。

一种仿生仙人球刺负泊松比吸能结构的设计方法，包括以下步骤：