一种基于榫卯连接的装配式负泊松比结构及其装配方法
一种基于榫卯连接的装配式负泊松比结构及其装配方法
本发明涉及超材料或超结构领域，具体是一种基于榫卯连接的装配式负泊松比结构及其装配方法。
背景技术
超材料或超结构是指通过对材料的微观结构进行有目的的设计，以实现特殊的功能。自超材料的概念提出以来，各国的研究人员对超材料开展了大量的研究。超材料已经逐渐成为新材料和新结构领域的一个重要分支。超材料优秀的性能使得其在航空航天、生物医疗、土木工程等领域有着广泛的应用前景。
负泊松比结构是超材料的一个重要分支。这种结构在受到拉伸时，会发生横向膨胀，故也称为拉胀结构。与传统蜂窝结构相比，负泊松比结构具有更优异的吸能、抗冲击、抗剪切和减震等性能。
然而，负泊松比结构的研究进展大多数停留在理论和实验阶段。虽然负泊松比结构相比传统蜂窝结构具有更广泛的应用前景，但是能真正用在实际工程上的少之又少。一方面是现有的负泊松比结构的构型复杂，已经被报道的负泊松比结构大多数采用3d打印技术制造。另一方面，现有的3d打印技术不成熟。3d打印技术高昂的制造成本和不稳定的性能限制了负泊松比结构的大规模应用。
将一体式结构离散化成若干个零件是目前工程结构常用的设计方法。模块化的设计方法可以让结构的各个部件保持独立，从而实现批量化生产。然而零件之间的连接点通常是结构的薄弱部位，并且维护结构的连接点也需要耗费大量的资源。
传统的榫卯结构起源于7000多年前的中国古代河姆渡文化遗址。古代建筑结构中的节点依靠榫卯的连接方式，在不需要过多维护的情况下能够在自然环境中长久使用。榫卯连接方法的可靠性和耐久性经过了历史的检验。
目前，负泊松比结构以一体式结构为主。考虑到其生产加工、运输和维护等多方面的因素，现有的一体式的负泊松比结构都难以满足现有的工程需求。
技术实现思路
鉴于目前存在的负泊松比结构生产困难，难以实现大规模应用的问题，本发明提供一种基于榫卯连接的装配式负泊松比结构及其装配方法，将榫卯结构和负泊松比结构相结合，以金属为原料，通过切割和冲压工艺生产零件，然后装配形成结构。本发明提出的结构组装自由度高，能够根据实际情况自由地拓展结构的尺寸，有效解决负泊松比结构大规模生产和应用困难的问题，并且模块化的设计能够有效的提高生产效率，降低制造和运输的成本。
本发明通过以下技术方案实现上述目的：一种基于榫卯连接的装配式负泊松比结构，由若干个环状零件和板状零件组成，所述环状零件的圆环处设有梯形榫槽，板状零件的端部设有榫头，板状零件的榫头嵌入环状零件的榫槽中，环状零件嵌入到板状零件的另一端，板状零件沿着环状零件所设置的榫槽呈环形的阵列，按照此装配规则组成负泊松比结构；
所述的结构在受到拉伸或压缩时，板状零件会产生弯曲变形，板状零件驱动环状零件，使其发生顺时针或逆时针的旋转，在环状零件的旋转作用下，板状零件会沿着环状零件旋转的方向舒展或收缩，在此作用下结构将会沿着垂直于荷载的方向膨胀或收缩，从而实现负泊松比效应。
所述环状零件共有6个榫槽，榫槽之间间距60°。
所述板状零件中间部分设置两处弯折，板状零件的榫头尺寸小于环状零件的榫槽的尺寸，两个零件的厚度相同。
所述环状零件的半径r尺寸介于15倍厚度t1和60倍厚度t1之间，即15t1>r>60t1，其中环状零件1的厚度t1与板状零件2的厚度t2相同，环状零件1的榫槽间距θ满足：θ＝60°，榫槽为梯形，其中短边尺寸a满足：a>2.5t2，长边尺寸b满足：b>2a。
所述板状零件的榫头为等边三角形，其边长c满足：c≤b，中间段两处折弯的折角β满足：90°<β<180°。
所述的基于榫卯连接的装配式负泊松比结构的装配方法，包括如下步骤：
(1)将板状零件其中一端的榫头嵌入环状零件的榫槽中，板状零件的正面应与环状零件的正面处于一个平面上，以确保榫头完全插入榫槽中，按照此方法，将环状零件剩余的榫槽插满；
(2)在步骤(1)的基础上，将板状零件另一端的榫头嵌入到下一个环状零件的榫槽中，在保证榫头和榫槽完全嵌合的情况下，组合在一起的零件会呈现出以环状零件的圆心为角点的六边形组件；
(3)在步骤(2)的基础上，将板状零件嵌入到环状零件剩余的榫槽中，重复以上三个步骤，将板状零件和环状零件相互嵌合，直到全部装配完成。
本发明的原理在于：
采用模块化的设计思路将传统的构型复杂的负泊松比结构进行离散化成若干个构型简单的零件，零件之间采用榫卯的连接方法。榫卯的连接方式能够减小结构的装配复杂性，并且不需要借助额外的连接手段。
完成装配的负泊松比结构在受到拉伸或压缩时，板状零件会产生弯曲变形。板状零件驱动环状零件，使其发生顺时针或逆时针的旋转。在环状零件的旋转作用下，板状零件会沿着环状零件旋转的方向舒展或收缩。在此作用下结构将会沿着垂直于荷载的方向膨胀或收缩。
本发明对于现有的技术而言，具有以下的有益效果：
1提出的基于榫卯连接的装配式负泊松比结构，其在单轴拉伸/压缩下，在荷载垂直的方向上会发生膨胀/收缩。与传统的一体式结构的性能相比，所提出的装配式结构保留了传统结构的所有特性和力学性能。
2将模块化装配式的设计方法与传统负泊松比结构的设计方法相结合，并基于榫卯的连接方式实现了传统负泊松比结构的模块化。与传统的一体式结构相比，模块化的设计能够更好的适应传统的制造方法，从而实现低成本、大批量的生产。
3提出的结构具有良好的吸能特性，能够应用于防护设施中。另外，本发明采用的模块化设计能够有效的降低结构的维护成本。
4提出的结构具有宽范围的可调控力学性能，可以根据实际工程的需求进行调整。
技术特征：
一种基于榫卯连接的装配式负泊松比结构，其特征在于，由若干个环状零件和板状零件组成，所述环状零件的圆环处设有梯形榫槽，板状零件的端部设有榫头，板状零件的榫头嵌入环状零件的榫槽中，环状零件嵌入到板状零件的另一端，板状零件沿着环状零件所设置的榫槽呈环形的阵列，按照此装配规则组成负泊松比结构；
根据权利要求1所述的基于榫卯连接的装配式负泊松比结构，其特征在于，所述环状零件共有6个榫槽，榫槽之间间距60°。
根据权利要求1所述的基于榫卯连接的装配式负泊松比结构，其特征在于，所述板状零件中间部分设置两处弯折，板状零件的榫头尺寸小于环状零件的榫槽的尺寸，两个零件的厚度相同。
根据权利要求1所述的基于榫卯连接的装配式负泊松比结构，其特征在于，所述环状零件的半径r尺寸介于15倍厚度t1和60倍厚度t1之间，即15t1>r>60t1，其中环状零件的厚度t1与板状零件的厚度t2相同，环状零件的榫槽间距θ满足：θ＝60°，榫槽为梯形，其中短边尺寸a满足：a>2.5t2，长边尺寸b满足：b>2a。
根据权利要求1所述的基于榫卯连接的装配式负泊松比结构，其特征在于，所述板状零件的榫头为等边三角形，其边长c满足：c≤b，中间段两处折弯的折角β满足：90°<β<180°。
根据权利要求1所述的基于榫卯连接的装配式负泊松比结构的装配方法，其特征在于，包括如下步骤：
技术总结
本发明涉及超材料或超结构技术领域，具体是一种基于榫卯连接的装配式负泊松比结构及其装配方法，由若干个环状零件和板状零件构成，所述板状零件的榫头与环状零件的榫槽相互嵌合。本发明公开的结构在无需额外连接手段的情况下，依靠榫槽和榫头相互嵌合形成稳定的连接，克服了传统的一体式负泊松比结构依赖3D打印工艺的局限性。高装配自由度使其能够实现平面内任意方向的拓展，在工程中能够根据实际需求进行组装。模块化的零件设计能够适应传统的制造工艺，降低生产成本和结构的维护成本，实现大批量的生产。适用于防护、抗震、降噪的工程结构中。
技术研发人员：卢福聪,韦庭晖,张传彪,莫汶潮,周士凌,黄允军,胡振华,莫珂蓝,何毅,刘洋,汪皓东,刘丰篪,陈劲勋,蓝璋源,何安迪
受保护的技术使用者：广西大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/13