【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及機械工程、船舶與海洋、振動與噪聲控制、結構抗沖擊、超材料結構，具體是一種基于獨立手性扭曲單元的超材料元胞及超材料結構，可提供高靜態剛度、高承載屈曲強度和高彈性應變能密度，能廣泛應用于機械結構的結構承載、抗沖擊、吸能、彈性儲能、振動控制。
技術介紹
1、具有較高彈性能量存儲密度的材料與結構在諸多領域都有廣泛應用前景，包括能量存儲、高承載能力、高抗沖擊能力以及靈敏運動。然而，實現該目標需要使材料或結構同時兼具高模量、高強度和承受大變形的能力。在微觀尺度，這可以通過碳納米管等高強度材料實現，但在宏觀尺度實現該目標面臨極大挑戰，目前尚難以實現。
2、機械/力學超材料結構是指具有超常力學特性的人工材料，可以產生低密度高模量、負泊松比、彈性波調控等特性。典型結構有二維蜂窩結構、三維點陣結構、折疊結構。尤其是具有輕質、高剛度、高強度特性的點陣超材料結構已被廣泛應用，為航空、航天、船舶、高鐵、汽車等工業系統提供了重要的結構設計方案。然而，現有超材料結構在壓縮承載下的屈曲是由基元桿結構的彎曲屈曲主導的，在有限的材料強度限制下，其屈曲平臺應力與其整體極限應變相悖，限制了最終的彈性儲能能力。
技術實現思路
1、針對現有技術中的不足，本專利技術提供一種基于獨立手性扭曲單元的超材料元胞及超材料結構，具有高靜態剛度、高承載屈曲強度、大極限應變和高彈性應變能密度，相比由相同基元構成的現有點陣結構，在相同的基材強度約束下，其在小變形范圍內的等效模量相當，承載屈曲強度提升5-10倍，彈性應
2、為實現上述目的，本專利技術提供一種基于獨立手性扭曲單元的超材料元胞，包括兩個鏡像對稱的手性單元；
3、所述手性單元包括兩個環面與若干彈性桿，兩個所述環面同軸間隔設置，各所述彈性桿沿所述環面的圓周方向周期分布在兩個所述環面之間；
4、在同一所述手性單元中，當所述手性單元無外部載荷時所述彈性桿處于傾斜狀態，且各所述彈性桿的傾斜方向、傾斜角度相同；
5、鏡像對稱的兩個所述手性單元共用一所述環面，或鏡像對稱的兩個所述手性單元中的一對所述環面同軸固定相連。
6、在其中一個實施例，在同一所述手性單元中：
7、所述彈性桿的第一端與其中一所述環面固定相連，且所述彈性桿的第一端中心與對應所述環面的中心間距為第一節圓半徑r1；
8、所述彈性桿的第二端與另一所述環面固定相連，且所述彈性桿的第二端中心與對應所述環面的中心間距為第二節圓半徑r2；
9、其中，r1=r2=r，r為所述彈性桿在兩個所述環面之間的安裝節圓半徑。
10、在其中一個實施例，在同一所述手性單元中，兩個所述環面的間距為h0，且h0≈4r~6r。
11、在其中一個實施例，所述彈性桿為能承受壓縮、彎曲和扭轉大變形的圓柱結構，包括但不限于軟膠桿、螺旋彈簧、鋼絲繩、碳納米管、纖維增強桿。
12、在其中一個實施例，在同一所述手性單元中，相鄰兩個所述彈性桿的間距大于或等于所述彈性桿的直徑。
13、為實現上述目的，本專利技術還提供一種基于獨立手性扭曲單元的超材料結構，包括若干上述的超材料元胞；
14、各所述超材料元胞呈二維平面陣列、三維多層陣列或三維骨架構型分布。
15、在其中一個實施例，當各所述超材料元胞呈二維平面陣列分布時：
16、各所述超材料元胞在二維平面上陣列成單層超材料結構，且位于所述單層超材料結構最上層與最下層的所述環面分別固定在或一體成型在同一平板上，但各所述超材料元胞的中心環面之間相互獨立。
17、在其中一個實施例，當各所述超材料元胞呈三維多層陣列分布時，所述超材料結構由多個所述單層超材料結構在豎直方向上堆疊構成。
18、在其中一個實施例，當各所述超材料元胞呈三維骨架構型分布時，各所述超材料元胞連接成多面體結構的空間骨架，且所述空間骨架的節點為塊狀結構。
19、與現有技術相比，本專利技術具有如下有益技術效果：
20、1.本專利技術通過分層的手性單元組成超材料元胞，在由超材料元胞陣列組成超材料結構，相同等效密度的菱形、八面體點陣等現有高剛度超材料結構，不僅能夠在小變形范圍內的剛度(即等效模量)與其保持相當，而且在超材料結構的整體屈曲承載強度與彈性能量存儲密度上明顯優于現有高剛度超材料結構，具有高靜態剛度、高承載屈曲強度、大極限應變和高彈性應變能密度等優點；
21、2.本專利技術中的彈性桿可直接由金屬彈簧等耐受大變形的材料或結構制備，不僅環境適應性高、制備工藝成熟，而且能在大變形下保持優異彈性變形恢復性。
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1.一種基于獨立手性扭曲單元的超材料元胞，其特征在于，包括兩個鏡像對稱的手性單元；
2.根據權利要求1所述的基于獨立手性扭曲單元的超材料元胞，其特征在于，在同一所述手性單元中：
3.根據權利要求2所述的基于獨立手性扭曲單元的超材料元胞，其特征在于，在同一所述手性單元中，兩個所述環面的間距為h0，且h0≈4R~6R。
4.根據權利要求1或2或3所述的基于獨立手性扭曲單元的超材料元胞，其特征在于，所述彈性桿為能承受壓縮、彎曲和扭轉大變形的圓柱結構，包括但不限于軟膠桿、螺旋彈簧、鋼絲繩、碳納米管、纖維增強桿。
5.根據權利要求1或2或3所述的基于獨立手性扭曲單元的超材料元胞，其特征在于，在同一所述手性單元中，相鄰兩個所述彈性桿的間距大于或等于所述彈性桿的直徑。
6.一種基于獨立手性扭曲單元的超材料結構，其特征在于，包括若干權利要求1至5任一項所述的超材料元胞；
7.根據權利要求6所述的基于獨立手性扭曲單元的超材料結構，其特征在于，當各所述超材料元胞呈二維平面陣列分布時：
8.根據權利要求7所述的基于獨立
9.根據權利要求6或7或8所述的基于獨立手性扭曲單元的超材料結構，其特征在于，當各所述超材料元胞呈三維骨架構型分布時，各所述超材料元胞連接成多面體結構的空間骨架，且所述空間骨架的節點為塊狀結構。
...【技術特征摘要】
1.一種基于獨立手性扭曲單元的超材料元胞，其特征在于，包括兩個鏡像對稱的手性單元；
2.根據權利要求1所述的基于獨立手性扭曲單元的超材料元胞，其特征在于，在同一所述手性單元中：
3.根據權利要求2所述的基于獨立手性扭曲單元的超材料元胞，其特征在于，在同一所述手性單元中，兩個所述環面的間距為h0，且h0≈4r~6r。
4.根據權利要求1或2或3所述的基于獨立手性扭曲單元的超材料元胞，其特征在于，所述彈性桿為能承受壓縮、彎曲和扭轉大變形的圓柱結構，包括但不限于軟膠桿、螺旋彈簧、鋼絲繩、碳納米管、纖維增強桿。
5.根據權利要求1或2或3所述的基于獨立手性扭曲單元的超材料元胞，其特征在于，在同一所述手性單元中，相鄰兩個所述...
【專利技術屬性】
技術研發人員：方鑫，郁殿龍，溫激鴻，
申請(專利權)人：中國人民解放軍國防科技大學，
類型：發明
國別省市：
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