本發明涉及新材料,具體是一種可切換功能的多穩態嵌套式復合點陣結構。
背景技術:
1、在當今社會,輕量化材料與結構的發展正以前所未有的速度推動著人類活動的邊界,不僅在環境保護方面展現出巨大潛力,更在提升工程結構性能上實現了質的飛躍。一方面,通過采用輕量化材料,如高性能合金、先進復合材料及創新混凝土等,有效降低了能源消耗與碳排放,為可持續發展貢獻了重要力量。另一方面,輕量化結構設計憑借其卓越的比強度、比剛度特性,不僅增強了結構的承載能力,還顯著提升了安全性能,使高層建筑、大跨度橋梁等宏偉建筑成為可能,極大地拓展了人類的生活與工作空間。
2、由于實現不同功能所對應的點陣幾何結構設計大相徑庭,多種點陣單元之間直接固結會明顯影響一個甚至多個功能的實現,并且多個功能之間也存在相互矛盾。例如減振/隔振與承載之間存在矛盾,低剛度的設計策略有助于器件的減振,卻削弱了結構抵抗變形和承載的能力;另一方面,高剛度往往帶來了高的承載性、變形穩定性和可靠性,但卻不利于振動能量的耗散。如何設計高性能的多功能輕質材料與結構是當前廣泛關注的熱點。
3、近年來,具有多穩態性能的結構得到了學術界和工業界的持續關注。多穩態結構,即一類具有多個穩定狀態的結構,能夠在不同的外部條件(如力、溫度、磁場等)下保持多種的穩定狀態。這種特性使得它們可以在不同的應用場景中實現功能切換。例如,可以在柔性狀態下用于減振和緩沖,而在剛性狀態下用于承載和吸能。通過設計不同的結構單元和排列方式,多穩態超材料可以實現大范圍的力學性能調節。這使得它們能夠在各種極端條件下持續保持優良的性能,在航空航天、汽車和建筑等領域具有廣泛應用前景。這些優點使得多穩態設計方案成為輕質多功能材料設計的重點候選。以典型的雙穩態結構為例,基于兩種穩定狀態下所具有的不同性能,通過穩定狀態切換來實現功能切換,從而實現多功能、多場景的應用。
4、然而當前的多穩態結構的實現十分依賴幾何配置,穩態空間較小,而達到多穩態需要較大的結構尺寸,難以滿足輕量化的要求。因此需要擴展多穩態結構的設計思路。
技術實現思路
1、為解決現有技術中的不足,本發明提供一種可切換功能的多穩態嵌套式復合點陣結構,由轉換單元和承載單元組合而成,轉換單元基于多穩態幾何提供功能切換部件,使結構能夠在一種穩態下具有柔性體功能,實現隔振-緩沖一體化;而在另一種穩態下具有剛性體的功能,實現承載-吸能一體化,多穩態結構和承載單元之間采用相互嵌套的形式,擴大了多穩態的設計范圍,避免了在受載時從一種穩態到另一種穩態的跳脫。
2、本發明為實現上述目的,通過以下技術方案實現:
3、一種可切換功能的多穩態嵌套式復合點陣結構,包括轉化單元、與轉化單元連接的承載單元,轉化單元和承載單元在x,y,z方向上進行延拓布置形成復合點陣結構;
4、所述轉化單元包括多穩態結構和包裹在多穩態結構外部的框體;
5、所述承載單元包括立方方框以及面心對角構件;
6、所述承載單元的立方方框的形狀與轉化單元的框體形狀相同;
7、所述轉化單元與承載單元之間通過多穩態結構的頂點和面心對角構件的中心連接點連接。
8、進一步的,所述多穩態結構包括至少2個子穩定態結構單元,且子穩定態結構單元相互交叉垂直且頂部相交于一點。
9、進一步的,所述子穩定態結構單元包括橫桿,所述橫桿兩端同向垂直設置豎桿,兩個所述豎桿端部分別設置斜桿,且2個斜桿相交于一點。
10、進一步的,所述橫桿長度為l1,豎桿厚度為t1,斜桿厚度為t0,斜桿到交點高度為h0,多穩態結構的形狀由l1、t1、t0、h0決定。
11、進一步的,不與承載單元連接的轉化單元的一面的多穩態結構內嵌在框體內部。
12、對比現有技術,本發明的有益效果在于:
13、1、本發明由轉換單元和承載單元組合而成,轉換單元基于多穩態幾何提供功能切換部件,使結構能夠在一種穩態下具有柔性體功能,實現隔振-緩沖一體化;而在另一種穩態下具有剛性體的功能,實現承載-吸能一體化,多穩態結構和承載單元之間采用相互嵌套的形式,擴大了多穩態的設計范圍,避免了在受載時從一種穩態到另一種穩態的跳脫。
14、2、本發明綜合考慮了減/隔振、緩沖、承載、吸能多個功能的相互切換,充分考慮了增材制造的可行性,實現多場景、多對象、多目標快速切換的應用需求;本結構具有一套完整的性能調控策略,不同功能之間能夠獨立設計,轉換單元和承載單元的幾何設計均有較大調控空間,滿足多性能應用需求,具有高適應性,克服了單一結構與單一功能的孤立對應局限性。
15、3、基于本結構可設計出具有高適應性、高可靠性、高便攜性、可重復使用等優異性能的多功能集成輕量化結構材料,在搶險救援、樓房構建以及交通運輸等領域有著十分重要的應用前景。
1.一種可切換功能的多穩態嵌套式復合點陣結構,其特征在于:包括轉化單元(2)、與轉化單元(2)連接的承載單元(3),轉化單元(2)和承載單元(3)在x,y,z方向上進行延拓布置形成復合點陣結構;
2.根據權利要求1所述的一種可切換功能的多穩態嵌套式復合點陣結構,其特征在于:所述多穩態結構(1)包括至少2個子穩態結構單元(1-2),且子穩定態結構單元相互交叉垂直且頂部相交于頂點(1-1)。
3.根據權利要求2所述的一種可切換功能的多穩態嵌套式復合點陣結構,其特征在于:所述子穩態結構(1-2)單元包括橫桿,所述橫桿兩端同向垂直設置豎桿,兩個所述豎桿端部分別設置斜桿,且2個斜桿相交于一點。
4.根據權利要求3所述的一種可切換功能的多穩態嵌套式復合點陣結構,其特征在于:所述橫桿長度為l1,豎桿厚度為t1,斜桿厚度為t0,斜桿到交點高度為h0,多穩態結構(1)的形狀由l1、t1、t0、h0決定。
5.根據權利要求1所述的一種可切換功能的多穩態嵌套式復合點陣結構,其特征在于:不與承載單元(3)連接的轉化單元(2)的一面的多穩態結構(1)內嵌在框體(2-1)內部。