本發(fā)明涉及新材料，具體是一種可切換功能的多穩(wěn)態(tài)嵌套式復(fù)合點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、在當(dāng)今社會(huì)，輕量化材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展正以前所未有的速度推動(dòng)著人類活動(dòng)的邊界，不僅在環(huán)境保護(hù)方面展現(xiàn)出巨大潛力，更在提升工程結(jié)構(gòu)性能上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。一方面，通過(guò)采用輕量化材料，如高性能合金、先進(jìn)復(fù)合材料及創(chuàng)新混凝土等，有效降低了能源消耗與碳排放，為可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)了重要力量。另一方面，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)憑借其卓越的比強(qiáng)度、比剛度特性，不僅增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)不同功能所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大相徑庭，多種點(diǎn)陣單元之間直接固結(jié)會(huì)明顯影響一個(gè)甚至多個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，并且多個(gè)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(shè)計(jì)策略有助于器件的減振，卻削弱了結(jié)構(gòu)抵抗變形和承載的能力；另一方面，高剛度往往帶來(lái)了高的承載性、變形穩(wěn)定性和可靠性，但卻不利于振動(dòng)能量的耗散。如何設(shè)計(jì)高性能的多功能輕質(zhì)材料與結(jié)構(gòu)是當(dāng)前廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。

3、近年來(lái)，具有多穩(wěn)態(tài)性能的結(jié)構(gòu)得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的持續(xù)關(guān)注。多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，即一類具有多個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，能夠在不同的外部條件(如力、溫度、磁場(chǎng)等)下保持多種的穩(wěn)定狀態(tài)。這種特性使得它們可以在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)功能切換。例如，可以在柔性狀態(tài)下用于減振和緩沖，而在剛性狀態(tài)下用于承載和吸能。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)單元和排列方式，多穩(wěn)態(tài)超材料可以實(shí)現(xiàn)大范圍的力學(xué)性能調(diào)節(jié)。這使得它們能夠在各種極端條件下持續(xù)保持優(yōu)良的性能，在航空航天、汽車和建筑等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。這些優(yōu)點(diǎn)使得多穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)方案成為輕質(zhì)多功能材料設(shè)計(jì)的重點(diǎn)候選。以典型的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)為例，基于兩種穩(wěn)定狀態(tài)下所具有的不同性能，通過(guò)穩(wěn)定狀態(tài)切換來(lái)實(shí)現(xiàn)功能切換，從而實(shí)現(xiàn)多功能、多場(chǎng)景的應(yīng)用。

4、然而當(dāng)前的多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)十分依賴幾何配置，穩(wěn)態(tài)空間較小，而達(dá)到多穩(wěn)態(tài)需要較大的結(jié)構(gòu)尺寸，難以滿足輕量化的要求。因此需要擴(kuò)展多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種可切換功能的多穩(wěn)態(tài)嵌套式復(fù)合點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)換單元和承載單元組合而成，轉(zhuǎn)換單元基于多穩(wěn)態(tài)幾何提供功能切換部件，使結(jié)構(gòu)能夠在一種穩(wěn)態(tài)下具有柔性體功能，實(shí)現(xiàn)隔振-緩沖一體化；而在另一種穩(wěn)態(tài)下具有剛性體的功能，實(shí)現(xiàn)承載-吸能一體化，多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和承載單元之間采用相互嵌套的形式，擴(kuò)大了多穩(wěn)態(tài)的設(shè)計(jì)范圍，避免了在受載時(shí)從一種穩(wěn)態(tài)到另一種穩(wěn)態(tài)的跳脫。

2、本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種可切換功能的多穩(wěn)態(tài)嵌套式復(fù)合點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)化單元、與轉(zhuǎn)化單元連接的承載單元，轉(zhuǎn)化單元和承載單元在x，y，z方向上進(jìn)行延拓布置形成復(fù)合點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；

4、所述轉(zhuǎn)化單元包括多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和包裹在多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)外部的框體；

5、所述承載單元包括立方方框以及面心對(duì)角構(gòu)件；

6、所述承載單元的立方方框的形狀與轉(zhuǎn)化單元的框體形狀相同；

7、所述轉(zhuǎn)化單元與承載單元之間通過(guò)多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)和面心對(duì)角構(gòu)件的中心連接點(diǎn)連接。

8、進(jìn)一步的，所述多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)包括至少2個(gè)子穩(wěn)定態(tài)結(jié)構(gòu)單元，且子穩(wěn)定態(tài)結(jié)構(gòu)單元相互交叉垂直且頂部相交于一點(diǎn)。

9、進(jìn)一步的，所述子穩(wěn)定態(tài)結(jié)構(gòu)單元包括橫桿，所述橫桿兩端同向垂直設(shè)置豎桿，兩個(gè)所述豎桿端部分別設(shè)置斜桿，且2個(gè)斜桿相交于一點(diǎn)。

10、進(jìn)一步的，所述橫桿長(zhǎng)度為l1，豎桿厚度為t1，斜桿厚度為t0，斜桿到交點(diǎn)高度為h0，多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的形狀由l1、t1、t0、h0決定。

11、進(jìn)一步的，不與承載單元連接的轉(zhuǎn)化單元的一面的多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌在框體內(nèi)部。

12、對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

13、1、本發(fā)明由轉(zhuǎn)換單元和承載單元組合而成，轉(zhuǎn)換單元基于多穩(wěn)態(tài)幾何提供功能切換部件，使結(jié)構(gòu)能夠在一種穩(wěn)態(tài)下具有柔性體功能，實(shí)現(xiàn)隔振-緩沖一體化；而在另一種穩(wěn)態(tài)下具有剛性體的功能，實(shí)現(xiàn)承載-吸能一體化，多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和承載單元之間采用相互嵌套的形式，擴(kuò)大了多穩(wěn)態(tài)的設(shè)計(jì)范圍，避免了在受載時(shí)從一種穩(wěn)態(tài)到另一種穩(wěn)態(tài)的跳脫。

14、2、本發(fā)明綜合考慮了減/隔振、緩沖、承載、吸能多個(gè)功能的相互切換，充分考慮了增材制造的可行性，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景、多對(duì)象、多目標(biāo)快速切換的應(yīng)用需求；本結(jié)構(gòu)具有一套完整的性能調(diào)控策略，不同功能之間能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換單元和承載單元的幾何設(shè)計(jì)均有較大調(diào)控空間，滿足多性能應(yīng)用需求，具有高適應(yīng)性，克服了單一結(jié)構(gòu)與單一功能的孤立對(duì)應(yīng)局限性。

15、3、基于本結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)出具有高適應(yīng)性、高可靠性、高便攜性、可重復(fù)使用等優(yōu)異性能的多功能集成輕量化結(jié)構(gòu)材料，在搶險(xiǎn)救援、樓房構(gòu)建以及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種可切換功能的多穩(wěn)態(tài)嵌套式復(fù)合點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括轉(zhuǎn)化單元(2)、與轉(zhuǎn)化單元(2)連接的承載單元(3)，轉(zhuǎn)化單元(2)和承載單元(3)在x，y，z方向上進(jìn)行延拓布置形成復(fù)合點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可切換功能的多穩(wěn)態(tài)嵌套式復(fù)合點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)(1)包括至少2個(gè)子穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)單元(1-2)，且子穩(wěn)定態(tài)結(jié)構(gòu)單元相互交叉垂直且頂部相交于頂點(diǎn)(1-1)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可切換功能的多穩(wěn)態(tài)嵌套式復(fù)合點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述子穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)(1-2)單元包括橫桿，所述橫桿兩端同向垂直設(shè)置豎桿，兩個(gè)所述豎桿端部分別設(shè)置斜桿，且2個(gè)斜桿相交于一點(diǎn)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種可切換功能的多穩(wěn)態(tài)嵌套式復(fù)合點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述橫桿長(zhǎng)度為l1，豎桿厚度為t1，斜桿厚度為t0，斜桿到交點(diǎn)高度為h0，多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)(1)的形狀由l1、t1、t0、h0決定。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可切換功能的多穩(wěn)態(tài)嵌套式復(fù)合點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其特征在于：不與承載單元(3)連接的轉(zhuǎn)化單元(2)的一面的多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)(1)內(nèi)嵌在框體(2-1)內(nèi)部。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及新材料技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種可切換功能的多穩(wěn)態(tài)嵌套式復(fù)合點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)化單元、與轉(zhuǎn)化單元連接的承載單元，轉(zhuǎn)化單元和承載單元在x，y，z方向上進(jìn)行延拓布置形成復(fù)合點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。本發(fā)明由轉(zhuǎn)換單元和承載單元組合而成，轉(zhuǎn)換單元基于多穩(wěn)態(tài)幾何提供功能切換部件，使結(jié)構(gòu)能夠在一種穩(wěn)態(tài)下具有柔性體功能，實(shí)現(xiàn)隔振?緩沖一體化；而在另一種穩(wěn)態(tài)下具有剛性體的功能，實(shí)現(xiàn)承載?吸能一體化，多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和承載單元之間采用相互嵌套的形式，擴(kuò)大了多穩(wěn)態(tài)的設(shè)計(jì)范圍，避免了在受載時(shí)從一種穩(wěn)態(tài)到另一種穩(wěn)態(tài)的跳脫。

技術(shù)研發(fā)人員：楊帆,吳嘉承,王莉華,夏羿,趙金峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：同濟(jì)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21