(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111561756.X (22)申请日 2021.12.20 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路２ 号 (72)发明人 王毅强　吴文俊　亢战　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 代理人 隋秀文 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) F16S 5/00(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 在拉压载荷下具有扭转变形模式的双稳态 结构及其构成的多稳态点阵结构 (57)摘要 本发明属于结构设计领域， 尤其涉及在拉压 载荷下具有扭转变形模式的双稳态结构及其构 成的多稳态 点阵结构。 本发明创造出一类具有压 扭耦合变形模式的双稳态结构， 创造的结构在单 向压缩载荷作用下发生扭转变形， 并且拥有第二 个稳定状态。 不仅提出了全新的双稳态机理， 丰 富了双稳态的变形模式， 更扩展了压扭结构和双 稳态结构的应用场景。 本发明中提出的所有结构 都可以通过空间周期阵列构成点阵结构， 所构成 的点阵结构在单向载荷作用下发生逐层相继的 扭转变形， 因此拥有 多个扭转稳态变形。 权利要求书2页 说明书5页 附图17页 CN 114201836 A 2022.03.18 CN 114201836 A 1.一种在拉压载荷下具有扭转变形模式的双稳态结构， 其特征在于， 所述的双稳态结 构包括压扭变形模式的双稳态结构和拉扭变形模式的双稳态结构； 当压扭变形模式的双稳态结构为六棱柱压扭双稳态结构时， 所述的六棱柱压扭双稳态 结构分为外层压扭 结构(A01)、 内层压扭 结构(A02)和水平扭转结构(A0 3)； 所述的外层压扭结构(A01)由上下两个面板(A1)、 十二个外层斜杆(A2)和一个水平外 环(A4)组成； 所述的面板(A1)是一个正六边形的面板， 其边长是a1， 厚度是t/2； 所述的水平 外环(A4)位于上下两个面板(A1)之间； 所述的外层斜杆(A2)由一种硬材料和一种软材料 组 成， 其中硬材料的刚度大于软材料刚度的10倍以上， 中间部位是硬材料， 两端部位是软材 料， 两端的软材料对称分布， 软材料的高度跨距为h1， 外层斜杆(A2)的截面是边长为t的正 方形， 水平跨距等于面板(A1)的边长a1， 竖直跨距是h0； 所述的水平外环(A4)是正六边形的 环形结构， 其外边长是a1并具有边长为t的正方形截面； 上下两个面板(A1)与水平外环(A4) 的各个顶点一一对应， 每组对应的顶点在同一直线上； 十二个外层斜杆(A2)分为关于水平 外环(A4)所在平面对称的上下两组， 对于上下对称的两根外层斜杆(A2)， 各有一端连接在 水平外环(A4)的同一个顶点， 另一端分别 连接上下两个面板(A1)上一组对应的顶点， 所连 接的上下两个面板(A1)的顶点与所连接的水平外环(A4)顶点顺时针方向的相邻顶点在同 一竖直直线上， 所有外层斜杆(A2)的分布关于上下两个面板(A1)的中垂线六次旋转对称； 在面板(A1)上施加单向压缩载荷， 水平外环(A4)会发生绕轴线方向的扭转变形； 所述的内层压扭结构(A02)与外层压扭结构(A01)共用上下两个面板(A1)， 还包括十二 个内层斜杆(A3)和一个水平内环(A5)； 所述的水平内环(A5)是一个边长为a2的正六边形的 环形结构， 具有边长为t的正方形截面， 水平 内环(A5)位于水平外环(A4)内的中心位置； 所 述的内层斜杆(A3)的材料组成与外层斜杆(A2)相同； 内层斜杆(A3)的截面是边长为t的正 方形， 其水平 跨距等于水平内环(A5)的边长a2， 竖直跨距是h0， 软材料的高度跨距为h1， 内层 斜杆(A3)分为上下对称的两组， 对应的两个内层斜杆(A3)各有一端 连接在水平内环(A5)的 同一顶点， 另一端分别 连接在上下面板(A1)上， 连接位置与前述水平内环(A5)所连接顶点 逆时针方向相 邻顶点在同一竖直直线 上； 所有内层斜杆(A3)的分布关于上下面板(A1)的中 垂线六次旋转对称， 并且其倾斜方向与外层斜杆(A2)相反； 在面板(A1)上施加单向压缩载 荷， 水平内环(A5)会发生绕轴线方向的扭转变形， 且转动方向与水平外环(A4)相反； 所述的水平扭转结构(A03)与外层压扭结构(A01)共用水平外环(A4)、 与内层压扭结构 (A02)共用水平内环(A5)， 还包括六个水平斜杆(A6)， 整体是一个正六边形结构； 所述的水 平斜杆(A6)位于水平内环(A5)六条边的延长线上， 用于连接水平外环(A4)和水平内环 (A5)， 要求在结构受压时水平斜杆(A6)也是受压的， 截面是长宽分别为t和t/2的矩形， 整体 的长度是l0； 水平斜杆(A6)的材料组成与外层斜杆(A2)和内层斜杆(A3)相同， 软材料 的长 度为l1； 在面板(A1)压力作用下， 水平外环(A4)和水平内环(A5)会产生方向相反的转动， 当 外部压力足够大时， 水平外环(A4)和水平 内环(A5)便会驱动水平斜杆(A6)产生弹性跳跃， 从而实现扭转双稳态变形； 每个压扭变形模式的双稳态结构 都有一个与之对应的拉扭变形模式的双稳态结构； 拉 扭变形模式的双稳态结构中， 每个水平斜杆位于压扭双稳态结构中水平斜杆的反向延 长线 上， 除此以外的其它组成部分都与对应的压扭变形模式的双稳态结构相同， 水平斜杆(A6) 在拉伸外载荷作用下处于受压状态， 当拉伸载荷足够大时将产生弹性跳跃， 从而产生拉扭权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114201836 A 2双稳态变形。 2.根据权利要求1所述的一种在拉压载荷下具有扭转变形模式的双稳态结构， 其特征 在于， 所述的在拉压载荷下具有扭转变形模式的双稳态结构是多个上下面板为多边形的棱 柱压扭双稳态结构， 包括三棱柱压扭双稳态结构， 四棱柱压扭双稳态结构、 五棱柱压扭双稳 态结构、 七棱柱压扭双稳态结构、 八棱柱压扭双稳态结构， 以及圆柱压扭双稳态结构， 各个 压扭双稳态结构的组成部分和变形模式均与六棱柱压扭双稳态结构相同， 只是面板的形状 以及斜杆的数目不同。 3.一种在拉压载荷下具有扭转变形模式的多稳态点阵结构， 采用权利要求1或2所述任 意一种拉压载荷下具有扭转变形模式的双稳态结构作为人工结构化单胞在空间中周期阵 列构成； 对于在空间中可紧密排布的棱柱结构， 即三棱柱、 四棱柱和六棱柱， 通过将单胞沿 着上下面板(A1)的边长方向以及结构的高度方向周期阵列的方式， 构成压扭多稳态点阵结 构； 而对于自身不能在空间中紧密排布的棱柱结构， 包括五棱柱、 七棱柱、 八棱柱以及圆柱 结构， 将其上下面板改成四边形结构， 从而采用与四棱柱结构一致的方式实现在空间中有 序阵列； 在压缩或拉伸载荷作用下， 点阵结构的每一层相继发生扭转双稳态变形， 获得多稳 态的扭转变形 特性。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114201836 A 3