本發(fā)明屬于力學超材料，具體涉及一種雙相緩沖吸能超材料結構。

背景技術：

1、隨著近些年新能源汽車、智能駕駛和航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對于新型材料和結構的使用性能提出了苛刻的要求，追求單位密度下的彈性和塑性性能。由于受到材料屬性和幾何構型的限制，目前大多數對于力學超材料的設計和研究只停留在彈性階段，學者們設計的超材料確實有很獨特的彈性屬性，比如：可以理論預測的壓縮剛度、接近甚至超過理論上限的彈性模量以及能夠連續(xù)大范圍調節(jié)的彈性模量。但是它們或者初始峰值應力很大，之后應力水平急劇下降，或者塑性階段非常短，很小的應變就會發(fā)生失效，無法承受大變形，或者塑性階段的整體應力水平比較低，只有極少數超材料能夠經受住塑性大變形并提供比較高的應力水平，適用于能量吸收應用場景。

2、傳統(tǒng)的桁架晶格演變而來的單胞構造并不能適配板晶格超材料以平板為基礎的結構特征；因此傳統(tǒng)板晶格超材料在載荷下的性能表現在極大程度上受到單胞結構的嚴重限制；最典型的兩個代表是彎曲主導超材料和拉伸主導超材料。歸功于整體變形，彎曲主導超材料應力曲線平穩(wěn)但應力水平低；拉伸主導超材料平均應力相對高，但由于局部變形使其初始峰值應力高且應力波動較大。

技術實現思路

1、本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種雙相緩沖吸能超材料結構，用于解決目前力學超材料的塑性大變形吸能緩沖性能差，無法承受大變形，塑性階段的整體應力水平低的技術問題。

2、本發(fā)明采用以下技術方案：

3、一種雙相緩沖吸能超材料結構，包括超材料單胞，多個超材料單胞規(guī)律連接和排列組成雙相緩沖吸能超材料結構；每個超材料單胞包括相互嵌合的主相和增強相，在受到準靜態(tài)加載時，超材料單胞在不與增強相連接的位置處發(fā)生壁板的屈曲變形。

4、優(yōu)選地，主相包括多個主相三角形波紋結構，多個主相三角形波紋結構上下對稱并沿不同方向等間距排列。

5、優(yōu)選地，三角形波紋結構包括八個。

6、優(yōu)選地，增強相包括增強相中心板，增強相中心板的上下兩側分別對稱排布多個增強相梯形板。

7、優(yōu)選地，增強相梯形板包括四個。

8、優(yōu)選地，超材料單胞的個數為27～216個。

9、優(yōu)選地，超材料單胞的長和寬小于等于10mm。

10、優(yōu)選地，超材料單胞的壁板夾角為0～90°，壁厚小于單胞長和寬的10％。

11、優(yōu)選地，其特征在于，雙相緩沖吸能超材料結構包括三層，每層由多個單胞組成正方形。

12、優(yōu)選地，雙相緩沖吸能超材料結構的應變能、比吸能、壓潰力效率和比強度分別大于120×10-3j?mm-3、25j?g-1、1.2和25j?g-1。

13、與現有技術相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

14、一種雙相緩沖吸能超材料結構，以性能而非結構為主導進行超材料主相的結構設計；基于三角形波紋結構良好的抗壓縮、抗彎曲能力和能量吸收效率，將其作為構建超材料單胞的基礎；通過新穎的結構設計將三角形波紋結構沿四個不同方向排列，使其優(yōu)異的力學性能從一個方向拓展到能夠支撐一個平面的四個方向；由于主相結構合理以及增強相的作用，雙相超材料變形模式穩(wěn)定，在增強相發(fā)生屈曲變形之前，主相壁板的屈曲都集中在沒有增強相作用的區(qū)域，隨著應變的增大，超材料單胞沒有增強相作用的區(qū)域壓縮密實后單胞的壁板被壓縮產生屈曲變形；剪切帶呈圓弧狀，且越靠近加載端位置的圓弧剪切帶弧度越大；塑性變形階段的應力水平幾乎呈線性持續(xù)走高，斜率很大，充分利用了超材料單胞的變形來不斷提高自身的承載和吸能能力；在塑性大變形階段不存在顯著的初始峰值應力，在達到高應力水平的同時又能保持載荷穩(wěn)定，甚至強度不斷提高，結合了拉伸主導超材料和彎曲主導超材料的優(yōu)點，克服了以拉伸主導超材料和彎曲主導超材料為代表的兩種變形模式力學特性的固有矛盾，兼顧高應力水平和應力穩(wěn)定性，并得到了遠優(yōu)于兩者的力學性能；相互嵌入式的連接策略充分利用了主相內部中空的寶貴空間，提高了空間利用率，同時可以保持兩相在豎直方向的相對位置，在保持主相固有屬性的同時又能使力學性能在主相的基礎上得到極大提升，從而提高結構效率，而不會出現因為加入了另外一相而使得雙相超材料的力學性能不如由其中一相單獨構成的超材料的情況。

15、進一步的，主相結構將三角形波紋結構的力學性能擴展到能夠支撐一個平面的四個方向。四個波紋相互連接、相互支撐、相互牽制和相互約束，它們的相互作用可以使結構更加緊湊、性能發(fā)揮更加充分。

16、進一步的，增強相由一個中心板和上下對稱排布的兩組共八個梯形板連接而成。四個梯形板之間相互連接、相互支撐、相互牽制和相互約束。通過引入增強相抑制主相壁板的橫向擴張和屈曲變形、提高主相單胞豎直方向強度。通過結構設計，將主相壁板的屈曲變形轉變?yōu)樵鰪娤啾诎宓睦熳冃??！?/p>

17、進一步的，隨著超材料單胞數的增加，其尺寸效應對超材料性能的影響越來越小直至幾乎為0。為了兼顧優(yōu)異力學性能和結構實用性，超材料的單胞選為125個。

18、進一步的，超材料單胞的長和寬設置為5mm，可以充分考慮實際使用場景的小型化需求和避免單胞過小帶來的加工難度和成本的激增，平衡了使用效果和使用成本。

19、進一步的，超材料單胞的壁板夾角設置為20°可以有效控制單胞長、寬和高度的比例，同時使得超材料整體的力學性能指標達到非常優(yōu)異的水平。壁厚設置為0.25mm可以兼顧輕量化設計的需求以及提高比吸能等力學性能參數。

20、進一步的，根據單胞尺寸和堆疊方式計算得到的雙相緩沖吸能超材料結構的長、寬、高有利于提高超材料的吸能效率和承載能力，對于緩沖吸能超材料的創(chuàng)新和設計具有重要意義。

21、綜上所述，本發(fā)明的單胞幾何構造的特征能夠實現更有效的變形吸能從而使整體具有優(yōu)秀的力學性能，提高超材料結構的承載能力以及吸能效率，從而表現出現有多胞材料難以企及的塑性力學性能和承載吸能能力。

22、下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。

技術特征：

1.一種雙相緩沖吸能超材料結構，其特征在于，包括超材料單胞，多個超材料單胞規(guī)律連接和排列組成雙相緩沖吸能超材料結構；每個超材料單胞包括相互嵌合的主相和增強相，在受到準靜態(tài)加載時，超材料單胞在不與增強相連接的位置處發(fā)生壁板的屈曲變形。

2.根據權利要求1所述的雙相緩沖吸能超材料結構，其特征在于，主相包括多個主相三角形波紋結構(1)，多個主相三角形波紋結構(1)上下對稱并沿不同方向等間距排列。

3.根據權利要求2所述的雙相緩沖吸能超材料結構，其特征在于，三角形波紋結構(1)包括八個。

4.根據權利要求1所述的雙相緩沖吸能超材料結構，其特征在于，增強相包括增強相中心板(3)，增強相中心板(3)的上下兩側分別對稱排布多個增強相梯形板(2)。

5.根據權利要求4所述的雙相緩沖吸能超材料結構，其特征在于，增強相梯形板(3)包括四個。

6.根據權利要求1所述的雙相緩沖吸能超材料結構，其特征在于，超材料單胞的個數為27～216個。

7.根據權利要求6所述的雙相緩沖吸能超材料結構，其特征在于，超材料單胞的長和寬小于等于10mm。

8.根據權利要求6所述的雙相緩沖吸能超材料結構，其特征在于，超材料單胞的壁板夾角為0～90°，壁厚小于單胞長和寬的10％。

9.根據權利要求1至8中任一項所述的雙相緩沖吸能超材料結構，其特征在于，雙相緩沖吸能超材料結構包括三層，每層由多個單胞組成正方形。

10.根據權利要求9所述的雙相緩沖吸能超材料結構，其特征在于，雙相緩沖吸能超材料結構的應變能、比吸能、壓潰力效率和比強度分別大于120×10-3jmm-3、25j?g-1、1.2和25jg-1。

技術總結
本發(fā)明公開了一種雙相緩沖吸能超材料結構，以性能為導向，用于承受載荷并緩沖和吸收沖擊能量，由多個相同的超材料單胞規(guī)律連接和排列組成；單胞由主相和增強相相互嵌合而成；基于三角形波紋結構優(yōu)異的力學性能，主相由上下對稱且沿不同方向等間距排列的三角形波紋結構組成，增強相由中心板和上下對稱排布的梯形板連接而成；通過引入增強相抑制主相壁板的橫向擴張和屈曲變形、提高主相單胞豎直方向強度；相互嵌入式的兩相結構能夠保持兩相在豎直方向的相對位置，又能使新型超材料的力學性能在主相的基礎上得到極大提升；本發(fā)明具有優(yōu)異的力學性能包括應變能、比吸能、壓潰力效率和比強度。

技術研發(fā)人員：張建勛,郭昊元
受保護的技術使用者：西安交通大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/10