基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构

1.本发明涉及拉胀材料领域以及抗震、隔振、吸能防护等领域，更确切地说，是涉及几种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构。


背景技术：

2.近年来，随着我国交通运输和工程建设等领域蓬勃发展，各种工程事故同时也是经常发生，类似于爆炸，冲撞，突然倒塌等，这些事故严重危害到公民个人的生命财产安全，因此对材料的性能也就提出了更高的要求，急切需要一种具有良好的抗震吸能防护的材料，同时具有高效生产，运输简单，维修方便，成本低廉能够大面积使用的材料。
3.比起传统材料，拉胀材料不管是在抗震，隔振，吸能方面，其力学性能都是优于传统材料，正是因为拉胀材料这些良好的力学性能，所以近几年对拉胀材料的研究也取得了一些不错的成就，提出了一些拉胀超结构，但是大部分拉胀超结构仅仅停留在理论阶段，能够应用到实际工程中的少之又少，很大一部分原因就是其不易生产、运输、装配，大部分拉胀超构材料都是靠增材制造(3d打印)和激光切割技术进行一体式生产，这种生产方式低效，不易运输，灵活性差，不易维修，高昂的成本严重阻碍了其推广以及应用。
4.本文提出的基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构的提出能够解决这一问题，榫卯连接可通过结构形状设计将整体结构分离为不同模块，模块之间可形成有效支撑，进而形成整体。拉胀蜂窝结构为典型二维结构。对于任意二维微结构形式，均可通过结构设计将其分离为几个可扣锁的异形金属管件模块，通过榫卯连接即可形成结构自锁进而实现二维扩展该结构在保证了负泊松比效应的同时，兼顾了其生产的方便。其构造简单，运输方便，维修简单，成本低廉，生产高效，力学模型明确，并且，这种新型结构无需对分离构件进行焊接或粘接也无需进行开槽，结构的力学性能更可控。此外，异型金属管件可通过传统冷拔工艺生产或对预制管件进行冲压成型制备，这方面技术成熟、成本低廉、生产效率高，就意味着能够大面积的使用，这在实际工程中将其作为抗震，隔振，吸能防护结构是迫切需要的。
5.同时拉胀材料作为超材料的一种，因其独特的负泊松比效应，可以表现出理想的机械性能，在抗凹陷、抗剪切、能量吸收、振动控制、同向行为、增强弹性等方面明显优于传统材料，在国防、航空、建筑、交通等领域发挥着不同的作用。


技术实现要素：

6.为解决现有大部分拉胀结构生产困难的问题，本发明的目的在于提出几种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构，本发明通过将被约束单元在平面上按照一定的方式排列，然后将所有的互不相连的被约束单元通过约束单元约束在一起，并最终形成一个整体，充分利用了榫卯连接的特点，同时考虑负泊松比材料的形貌特征，使得结构依然具有拉胀效应，该结构生产简单，为其在各种抗震，隔振，吸能防护工程中的应用提供了先决条件。
7.本发明的实施例可以这样实现：
8.本发明的实施例提供了几种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构，其特征在于：所有基础单元由约束单元以及被约束单元组成，被约束单元在平面上按照一定的方式呈环状排列，其内部形成了一个规则的封闭凹凸部分，然而约束单元的外形部分恰好和被约束单元形成的封闭凹凸部分吻合，将约束单元扣入，这样就将互不相连的被约束单元约束固定在一起了，这就是榫卯结构的特征。
9.所述约束单元以及被约束单元在未装配之前之间彼此独立，互不相连。
10.所述约束单元是根据被约束单元在平面按照一定的方式环状排列后，其内部会形成一个规则的封闭凹凸部分，按照封闭凹凸部分的外形特征，结合榫卯结构，决定了约束单元的外形。
11.所述的互不相连的被约束单元在装配时仅通过约束单元彼此固定在一起。
12.本发明的原理在于：
13.基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构，由被约束单元，约束单元组成。利用榫卯结构组合的思路，装配时，通过约束单元将互不相连的被约束单元进行固定约束，简化了单元之间的连接，同时结合了拉胀结构的平面布置特征和外形特征，使得结构既有良好的抗震，吸能的性能，同时更易于生产制造。
[0014]“负泊松比(negativepoisson’sratio)”是指构件在受拉伸时，材料在弹性范围内纵向膨胀的同时横向发生膨胀；而受压缩时，材料纵向压缩的同时横向也发生压缩。
[0015]
本发明的有益效果为：
[0016]
1.本发明基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构，是一种全新的能够利用结构自身平面布置特性实现各部分之间的相互约束，即无需设置约束边界位移或者在相邻被约束单元间设置除约束单元的其它连接件，满足防护系统的安全、经济、适用等特性的综合要求。
[0017]
2.本发明基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构，该结构是由若干模块化的被约束单元以及约束单元组成，单元的个数以及截面尺寸可以根据实际冲撞能量和工作面大小灵活调整，具有良好的可编程性。
[0018]
3.本发明基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构虽然不像传统拉胀结构一样，属于一体式结构，而是属于模块化的装配式结构，但依然具有负泊松比效应。
[0019]
4.本发明基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构由若干模块化的被约束单元，约束单元构成。未使用时，被约束单元以及约束单元独立存在，在使用时，通过约束单元将各个独立的被约束单元锁在一起即可。具有生产高效，维修容易，运输方便，装配简单，可以到现场在进行组装等优点。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0021]
图1为本发明所涉及的第一种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构的约束单元以及被约束单元示意图。
[0022]
图2为本发明所涉及的第一种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构中的被约束单元按照一定规则排列的示意图。
[0023]
图3为本发明所涉及的第一种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构的被约束单元通过约束单元锁在一起的示意图。
[0024]
图4为本发明所涉及的第一种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构的阵列的三维示意图。
[0025]
图5为本发明所涉及的第一种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构在x方向受拉时的应变与泊松比关系图。
[0026]
图6为本发明所涉及的第二种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构的约束单元以及被约束单元示意图。
[0027]
图7为本发明所涉及的第二种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构中的被约束单元按照一定规则排列的示意图。
[0028]
图8为本发明所涉及的第二种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构的被约束单元通过约束单元锁在一起的示意图。
[0029]
图9为本发明所涉及的第二种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构的阵列的三维示意图。
[0030]
图10为本发明所涉及的第二种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构在x方向受拉时的应变与泊松比关系图。
[0031]
图11为本发明所涉及的第三种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构的约束单元以及被约束单元示意图。
[0032]
图12为本发明所涉及的第三种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构中的被约束单元按照一定规则排列的示意图。
[0033]
图13为本发明所涉及的第三种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构的被约束单元通过约束单元锁在一起的示意图。
[0034]
图14为本发明所涉及的第三种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构的阵列的三维示意图。
[0035]
图15为本发明所涉及的第三种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构在x方向受拉时的应变与泊松比关系图。
[0036]
图16为本发明所涉及的第四种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构的约束单元以及被约束单元示意图。
[0037]
图17为本发明所涉及的第四种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构中的被约束单元按照一定规则排列的示意图。
[0038]
图18为本发明所涉及的第四种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构的被约束单元通过约束单元锁在一起的示意图。
[0039]
图19为本发明所涉及的第四种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构的阵列的三维示意图。
[0040]
图20为本发明所涉及的第四种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构在x方向受拉时的应变与泊松比关系图。
具体实施方式
[0041]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0042]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0044]
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0045]
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0046]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
[0047]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：
[0048]
请参照图1，本发明第一种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构10，包括约束单元1，被约束单元2，被约束单元2由4部分(2-1、2-2、2-3、2-4)组成，外手臂2-1与内长手臂2-2互相垂直，内短手臂2-3与连接手臂2-4之间的夹角约束单元凹槽的半径r＝a/4，另外被约束单元的截面宽度尺寸c应满足4c＝a-b，a为约束单元凹槽内两平行线之间的距离，b为约束单元1截面宽度。
[0049]
请参照图2，图3，图4，本发明第一种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构10，4个被约束单元2呈环状排列在一起，在其内部形成了一个规则的封闭凹凸口，将约束单元1从凹凸口处扣入，被约束单元2就这样通过约束单元装配在一起了，结合榫卯结构的特征，4个被约束单元2就通过1个约束单元1在平面上固定在一起了，按照此装配规则和顺序组成了第一种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构10。
[0050]
请参照图5，表明本发明的第一种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构，在大变形的条件下，沿x拉伸，应变设置为0.2，在拉伸时，外手臂会产生平面内的旋转变形使得结构发生垂直拉伸方向的膨胀，在这个过程中，利用泊松比公式求得y方向的泊松比值是负值，这表明：本发明在保证结构生产方便的优点的同时，保证了负泊松比，使结构仍然具有拉胀效应。
[0051]
请参照图6，本发明第二种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构20，包括约束单元3，哑铃型的被约束单元4，被约束单元4由4部分(4-1、4-2、4-3、4-4)组成，外手臂4-1与内长手臂4-2互相垂直，内短手臂4-3与连接手臂4-4之间的夹角约束单元凹槽的半径r＝a/4，另外哑铃型的被约束单元的截面宽度尺寸c应满足4c＝a-b，a为约束单元凹槽内两平行线之间的距离，b为约束单元3截面宽度,被约束单元4关于x上下对称，关于y左右对
称。
[0052]
请参照图7，图8，图9，本发明第二种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构20，4个被约束单元4呈环状排列在一起，在其内部形成了一个规则的封闭凹凸口，将约束单元3从凹凸口处扣入，4个互不相连的哑铃型的被约束单元4就这样通过约束单元3装配在一起，结合榫卯结构的特征，4个哑铃型的被约束单元4就通过1个约束单元3在平面上固定在一起了，按照此装配规则和顺序组成了第一种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构20。
[0053]
请参照图10，表明本发明的第二种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构，在大变形的条件下，沿x拉伸，应变设置为0.1，在拉伸时，外手臂会产生平面内的旋转变形使得结构发生垂直拉伸方向的膨胀，在这个过程中，利用泊松比公式求得y方向的泊松比值是负值，这表明：本发明在保证结构生产方便的优点的同时，保证了负泊松比，使结构仍然具有拉胀效应。
[0054]
请参照图11，本发明第三种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构30，包括约束单元5，被约束单元6，被约束单元6由4部分(6-1、6-2、6-3、6-4)组成，外手臂6-1与内长手臂6-2互相垂直，内短手臂6-3与连接手臂6-4之间的夹角约束单元凹槽的半径r＝a/4，另外被约束单元的截面宽度尺寸c应满足4c＝a-b，a为约束单元凹槽内两平行线之间的距离，b为约束单元5截面宽度,被约束单元6关于x、y、z对称。
[0055]
请参照图12，图13，图14，本发明第三种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构30，3个被约束单元6呈环状排列在一起，在其内部形成了一个规则的封闭凹凸口，将约束单元5从凹凸口处扣入，3个互不相连的被约束单元6就这样通过约束单元5装配在一起，结合榫卯结构的特征，3个被约束单元6就通过1个约束单元5在平面上固定在一起了，按照此装配规则和顺序组成了第三种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构30。
[0056]
请参照图15，表明本发明的第三种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构，在大变形的条件下，沿x拉伸，应变设置为0.2，在拉伸时，外手臂会产生平面内的旋转变形使得结构发生垂直拉伸方向的膨胀，在这个过程中，利用泊松比公式求得y方向的泊松比值是负值，这表明：本发明在保证结构生产方便的优点的同时，保证了负泊松比，使结构仍然具有拉胀效应。
[0057]
请参照图16，本发明第四种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构40，包括约束单元7，被约束单元8，被约束单元8由4部分(8-1、8-2、8-3、8-4)组成，外手臂8-1与内长手臂8-2互相垂直，内短手臂8-3与连接手臂8-4之间的夹角约束单元凹槽的半径r＝a/4，另外被约束单元的截面宽度尺寸c应满足4c＝a-b，a为约束单元凹槽内两平行线之间的距离，b为约束单元7截面宽度。
[0058]
请参照图17，图18，图19，本发明第四种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构40，6个被约束单元8呈环状排列在一起，在其内部形成了一个规则的封闭凹凸口，将约束单元7从凹凸口处扣入，6个互不相连的被约束单元8就这样通过约束单元7装配在一起，结合榫卯结构的特征，6个被约束单元8就通过1个约束单元7在平面上固定在一起了，按照此装配规则和顺序组成了第四种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构40。
[0059]
请参照图20，表明本发明的第四种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构，在大变形的条件下，沿x拉伸，应变设置为0.2，在拉伸时，外手臂会产生平面内的旋转变形使得结构发生垂直拉伸方向的膨胀，在这个过程中，利用泊松比公式求得y方向的泊松比值是
负值，这表明：本发明在保证结构生产方便的优点的同时，保证了负泊松比，使结构仍然具有拉胀效应。
[0060]
本发明未尽事宜为公知技术。
[0061]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构，其特征在于：对于第一种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构结构(10)，由模块化的若干单元组成，包括约束单元(1)、被约束单元(2)，被约束单元(2)由4部分(2-1、2-2、2-3、2-4)组成，4个被约束单元(2)为一组在平面上呈环形分布，约束单元(2)从一组被约束单元(1)在平面内形成的封闭凹凸部分处扣入，4个被约束单元(2)就通过一个约束单元(1)约束固定在了一起，按照如此装配规则，组成了第一种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构(10)；所述的第一种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构(10)的单元的尺寸要满足4c＝a-b,a为约束单元(1)凹槽两平行线之间的距离，b为约束单元(1)截面宽度，c为被约束单元(2)的截面宽度，约束单元(1)凹槽的半径r＝a/4，在约束单元(1)未扣入之前，被约束单元(2)之间彼此独立，互不相连，各个约束单元(1)也是彼此独立，被约束单元(2)的外手臂(2-1)与内长手臂(2-2)互相垂直，内短手臂(2-3)与连接手臂(2-4)之间夹角2.基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构，其特征在于：对于第二种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构(20)，结构由若干模块化的单元组成，包括约束单元(3)、哑铃型的被约束单元(4)，被约束单元(4)由4部分(4-1、4-2、4-3、4-4)组成，4个被约束单元(4)为一组在平面上呈环形分布，约束单元(3)从一组被约束单元(4)在平面内形成的封闭凹凸部分处扣入组成一个整体,4个被约束单元(4)就通过一个约束单元(3)约束固定在了一起，按照如此装配规则，组成了第二种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构(20)；所述的第二种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构(20)单元的尺寸要满足4c＝a-b,a为约束单元(3)凹槽两平行线之间的距离，b为约束单元(3)截面宽度，c为哑铃型的被约束单元(4)的截面宽度，约束单元(3)凹槽的半径r＝a/4，在约束单元(3)未扣入之前，被约束单元(4)之间彼此独立，互不相连，各个约束单元(3)之间也是彼此独立，被约束单元(4)的外手臂(4-1)与内长手臂(4-2)互相垂直，内短手臂(4-3)与连接手臂(4-4)之间夹角3.基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构，其特征在于：对于第三种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构(30)，结构由若干模块化的单元组成，包括约束单元(5)、被约束单元(6)，被约束单元(6)由4部分(6-1、6-2、6-3、6-4)组成，3个被约束单元(6)为一组在平面上呈环形分布，约束单元(5)从一组被约束单元(6)在平面内形成的封闭凹凸部分处扣入组成一个整体,3个被约束单元(6)就通过一个约束单元(5)固定在了一起，按照如此装配规则，组成了第三种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构(30)；所述的第三种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构(30)单元的尺寸要满足4c＝a-b,a为约束单元(5)凹槽两平行线之间的距离，b为约束单元(5)截面宽度，c为被约束单元(6)的截面宽度，约束单元(5)凹槽的半径r＝a/4，在约束单元(5)未扣入之前，被约束单元(6)之间彼此独立，互不相连，各个约束单元(5)之间也是彼此独立，被约束单元(6)的外手臂(6-1)与内长手臂(6-2)互相垂直，内短手臂(6-3)与连接手臂(6-4)之间夹角4.基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构，其特征在于：对于第四种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构(40)，结构由若干模块化的单元组成，包括约束单元(7)、被约束单元(8)，被约束单元(8)由4部分(8-1、8-2、8-3、8-4)组成，6个被约束单元(8)为一组在平面上呈环形分布，约束单元(7)从一组被约束单元(8)在平面内形成的封闭凹凸部分处扣
入组成一个整体,6个被约束单元(8)就通过一个约束单元(7)固定在了一起，按照如此装配规则，组成了第四种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构(40)；所述的第四种基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构(40)单元的尺寸要满足4c＝a-b,a为约束单元(7)凹槽两平行线之间的距离，b为约束单元(7)截面宽度，c为被约束单元(8)的截面宽度，约束单元(7)凹槽的半径r＝a/4，在约束单元(7)未扣入之前，被约束单元(8)之间彼此独立，互不相连，各个约束单元(7)之间也是彼此独立，被约束单元(8)的外手臂(8-1)与内长手臂(8-2)互相垂直，内短手臂(8-3)与连接手臂(8-4)之间夹角

技术总结
本发明公开基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构，榫卯连接可通过结构形状设计将整体结构分离为不同模块，模块之间可形成有效支撑，进而形成整体，本发明受其启发，发明了基于榫卯连接的模块化装配式拉胀超结构。具体涉及拉胀材料领域以及抗震、隔振、吸能防护等领域。所述结构由约束单元和被约束单元组成。本发明通过克服了传统拉胀结构靠3D打印和激光切割技术进行一体式生产的局限性，与现有技术相比，本发明的优点是：对于任意二维微结构形式，均可通过结构设计将其分离为几个可扣锁的异形金属管件模块，通过榫卯连接即可形成结构自锁进而实现二维扩展，非常具有普适性，具有生产高效，维修、运输方便，成本低廉，装配简单等优点。优点。优点。


技术研发人员：朱一林 高德峰 赵翔 芮雪 于超 邵永波
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/9/22