【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及負剛度結構設計，具體是涉及一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構及其設計方法。
技術介紹
1、負剛度超材料是機械超材料的一個分支，通常，要使材料的變形程度增加施加的外力也要增加，我們稱這種情況為正剛度；材料的變形程度增加但是施加的外力減小，我們稱這種情況為負剛度。負剛度結構材料憑借其出色的可重復使用性，在防護用具和減震器材中具有廣泛的實際應用前景，這一特性不僅可以提高結構的吸能性能還可以循環使用降低了材料的成本，推動結構材料向著可持續方向發展。在航空航天領域，特別是在高速沖擊下負剛度超材料可以起到良好的緩沖吸能作用，保護內部的有效載荷不受損壞。
2、目前大部分已經發表的負剛度結構材料大多是基于彎曲軸模型和傾斜軸模型的蜂窩結構材料和點陣結構材料。相比于點陣結構材料，圓頂模型具有更好的吸能效果且可以承受多個方向的力。但是目前提出的負剛度結構多以二維結構為主，一些關于三維負剛度結構的研究大多基于彎曲軸模型和傾斜軸模型進行陣列，形成立方體型結構，可以承受側方的壓縮緩沖，但是，對于更多方向甚至是全向性緩沖吸能性能仍有不足。
技術實現思路
1、為解決上述技術問題，提供一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構及其設計方法，本技術方案解決了上述
技術介紹
中提出的目前提出的負剛度結構多以二維結構為主，一些關于三維負剛度結構的研究大多基于彎曲軸模型和傾斜軸模型進行陣列，形成立方體型結構，可以承受側方的壓縮緩沖，但是，對于更多方向甚至是全向性緩沖吸能性能仍有不足的問題。
2、為達到
3、一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，包括吸能結構本體，所述吸能結構本體由內外圓柱面以及內部周期性結構組成，所述內部周期性結構設有周期性分布的負剛度蜂窩單元結構，每個所述負剛度蜂窩單元結構均設置有上下各兩根彎曲梁結構。
4、優選的，所述吸能結構本體的內部由三層新型雙軸負剛度蜂窩單元結構構成，且每層所述新型雙軸負剛度蜂窩單元結構由18個負剛度蜂窩單元結構構成。
5、優選的，所述彎曲梁參數化模型為：
6、
7、f＝fl3/(elh)
8、δ＝d/h
9、q＝h/t
10、式中，為彎曲梁上任一點到連接梁的兩端水平線的平均距離，h為彎曲梁的幅值，x為水平線上的位置，l為彎曲梁的水平長度，f為外力，e為屈曲梁材料的彈性模量，i為梁的轉動慣量，t為梁厚度，d為彎曲梁在橫向的位移，幾何參數q決定了相對應力-相對位移曲線的走向，改變q值調整彎曲梁的剛度。
11、優選的，位于最外層所述的新型雙軸負剛度蜂窩單元結構下半部分雙曲梁余弦周期長度為50.8mm，余弦幅值為5.08mm，梁厚度為1.27mm，立柱厚度為2.54mm，位于最外層所述新型雙軸負剛度蜂窩單元結構的上半部分梁周期長度為45.43mm。
12、優選的，位于中間位置所述的新型雙軸負剛度蜂窩單元結構上半雙曲梁余弦周期長度為38.92mm，余弦幅值為5.08mm，梁厚度為1.27mm，立柱厚度為2.54mm。
13、優選的，位于最內層所述的新型雙軸負剛度蜂窩單元結構的上半部分雙曲梁余弦周期長度為32.31mm，梁厚度設為1.27mm，余弦幅值為5.08mm。
14、優選的，位于中間位置所述的新型雙軸負剛度蜂窩單元結構在新型三維圓柱形負剛度吸能結構半徑上厚度為62.42mm，且位于最內層所述的新型雙軸負剛度蜂窩單元結構在新型三維圓柱形負剛度吸能結構半徑方向上厚度為81.43mm。
15、優選的，所述新型三維圓柱形負剛度吸能結構的直徑為338.29mm。
16、優選的，三層所述雙曲梁蜂窩單元結構在新型三維圓柱形負剛度吸能結構半徑方向上厚度為81.43mm，所述新型三維圓柱形負剛度吸能結構的內徑為175.43mm。
17、一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構的設計方法，包括：
18、s1、新型雙軸負剛度蜂窩單元結構采用聚氨酯材料，通過3d打印技術整體加工而成；
19、s2、在進行新型雙軸負剛度蜂窩單元結構的力學性能驗證時，通過有限元軟件abaqus對其承力壓縮性能進行驗證，具體流程如下：
20、在solidworks軟件建立單元結構的模型，導入到abaqus中，建立剛性板用于模擬地面，設置材料參數，并對其創建截面，單元結構及地面均為實體截面；
21、選用動力隱式分析步，具備準靜態作用，用于模擬準靜態壓縮過程，單元結構下表面與剛性地面上表面之間采用表面于表面接觸，摩擦系數根據實際情況而定，采用罰函數計算方式，對整體結構在初始分析步設定通用接觸，用于限制模型之間的幾何穿透；
22、將單元結構上表面耦合至圓柱圓心，并限制圓心的轉動自由度和平動自由度為0，處于完全固定狀態，剛性地面設定為剛體，并對其施加向上的位移；
23、單元結構采用元素c3d20r對結構進行網格化，定義近似全局尺寸為0.5，并對其進行非線性效應分析，剛性地面采用r3d4離散剛體單元；
24、確定好單元結構的壓縮性能后，在單元結構基礎上進行層數的累加，二層、三層負剛度單元結構的仿真流程同上。
25、與現有技術相比，本專利技術提供了一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構及其設計方法，具備以下有益效果：
26、本專利技術的新型三維圓柱形負剛度吸能結構，其相較于傳統六邊形蜂窩結構，具備更好的力學特性，吸能效果顯著提升，且具備良好的可重復性，三維圓柱形負剛度吸能結構相較于傳統的二維結構拓展了其應用范圍，更好地滿足了該結構在某些方面的運動需求，有利于推廣使用，甚至是為三維球形殼吸能結構的提出提供設想。
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1.一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，包括吸能結構本體，其特征在于，所述吸能結構本體由內外圓柱面以及內部周期性結構組成，所述內部周期性結構設有周期性分布的新型雙軸負剛度蜂窩單元結構(1)，每個所述新型雙軸負剛度蜂窩單元結構(1)均設置有上下各兩根彎曲梁結構。
2.根據權利要求1所述的一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，其特征在于，所述吸能結構本體的內部由三層負剛度雙曲梁蜂窩單元結構構成，且每層所述負剛度雙曲梁蜂窩單元結構由18個新型雙軸負剛度蜂窩單元結構(1)構成。
3.根據權利要求1所述的一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，其特征在于，所述彎曲梁參數化模型為：
4.根據權利要求1所述的一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，其特征在于，位于最外層所述的新型雙軸負剛度蜂窩單元結構下半部分雙曲梁余弦周期長度為50.8mm，余弦幅值為5.08mm，梁厚度為1.27mm，立柱厚度為2.54mm，位于最外層所述新型雙軸負剛度蜂窩單元結構的上半部分梁周期長度為45.43mm。
5.根據權利要求1所述的一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，其特征在于，位于中
6.根據權利要求1所述的一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，其特征在于，位于最內層所述的新型雙軸負剛度蜂窩單元結構的上半部分雙曲梁余弦周期長度為32.31mm，梁厚度設為1.27mm，余弦幅值為5.08mm。
7.根據權利要求1所述的一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，其特征在于，位于中間位置所述的新型雙軸負剛度蜂窩單元結構在新型圓柱形負剛度吸能結構半徑上厚度為62.42mm，且位于最內層所述的新型雙軸負剛度蜂窩單元結構在新型三維圓柱形負剛度吸能結構半徑方向上厚度為81.43mm。
8.根據權利要求1所述的一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，其特征在于，所述新型三維圓柱形負剛度吸能結構的直徑為338.29mm。
9.根據權利要求1所述的一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，其特征在于，三層所述雙曲梁蜂窩單元結構在新型三維圓柱形負剛度吸能結構半徑方向上厚度為81.43mm，所述新型三維圓柱形負剛度吸能結構的內徑為175.43mm。
10.一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構的設計方法，用于實現如權利要求1-9任一項所述的一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，其特征在于，包括：
...【技術特征摘要】
1.一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，包括吸能結構本體，其特征在于，所述吸能結構本體由內外圓柱面以及內部周期性結構組成，所述內部周期性結構設有周期性分布的新型雙軸負剛度蜂窩單元結構(1)，每個所述新型雙軸負剛度蜂窩單元結構(1)均設置有上下各兩根彎曲梁結構。
2.根據權利要求1所述的一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，其特征在于，所述吸能結構本體的內部由三層負剛度雙曲梁蜂窩單元結構構成，且每層所述負剛度雙曲梁蜂窩單元結構由18個新型雙軸負剛度蜂窩單元結構(1)構成。
3.根據權利要求1所述的一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，其特征在于，所述彎曲梁參數化模型為：
4.根據權利要求1所述的一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，其特征在于，位于最外層所述的新型雙軸負剛度蜂窩單元結構下半部分雙曲梁余弦周期長度為50.8mm，余弦幅值為5.08mm，梁厚度為1.27mm，立柱厚度為2.54mm，位于最外層所述新型雙軸負剛度蜂窩單元結構的上半部分梁周期長度為45.43mm。
5.根據權利要求1所述的一種新型三維圓柱形負剛度吸能結構，其特征在于，位于中間位置所述的新型雙軸負剛度蜂窩單元結構上半雙曲梁余弦周期長度為38.92mm，余弦幅值為5.0...
【專利技術屬性】
技術研發人員：董洋洋，閆芳智，張子建，王永濱，周吉，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：
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