本技术突破了传统超材料与结构设计的界限,提出了一种创新的榫卯式负泊松比结构及其快速装配技术。该结构由多个环状和板状零件组成,通过榫头与榫槽的精密嵌合实现稳定连接,无需额外连接件。这一设计不仅突破了传统负泊松比结构对3D打印技术的依赖,还因其高装配自由度,能够实现平面内任意方向的灵活拓展,满足工程实际需求。模块化的设计理念,使得该结构能够适应传统制造工艺,有效降低生产与维护成本,实现规模化生产。该结构在防护、抗震、降噪等领域具有广泛的应用前景。
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。
实现思路