本发明属于超结构曲面共形构筑管状薄壁超材料的设计制造领域，涉及一种负泊松比化对称剪纸双胞元模型的圆柱面阵列设计方法，尤其涉及一种对称剪纸双胞元模型强化薄层管壁径向抗冲击性能的方法，用以管状薄壁结构件的轴向与径向性能同步优化，该超材料及其设计方法可应用于航空航天、交通运输以及重要设施需要抗冲击减震的防护系统中。
背景技术：
1、随着我国经济的迅速发展，家用汽车的数量呈指数型增长，相应的交通事故发生率也显著上升。在这些事故中，冲击载荷往往对人员生命和财产造成极大的损害。为了降低这种损害，开发高效的能量吸收装置显得尤为重要。能量吸收装置是一种被动防护系统，其主要功能是在撞击过程中将动能转化为其他形式的能量，以减轻冲击载荷对人员及结构的损害。这类装置在航空航天、车辆以及土木工程等多个领域中都有广泛的应用。
2、目前，薄壁结构因其轻质、大变形耗能能力强和成本低等优点，在现代装备的轻量化和高性能化趋势中占有重要地位。特别是圆管状薄壁结构，由于其切向/径向应力传递均匀、变形过程稳定持久、初始冲击小、能量耗散快以及制造和构建成本低，因此在能量吸收装置中得到了广泛应用。然而，传统的正泊松比薄壁结构材料存在一些缺陷，如破碎峰值力高、后屈曲模式单一且能量吸收效率低下以及无法有效应对径向冲击，这些问题限制了其在实际应用中的效能，尤其是在应对来自各方冲击需要径向高能量吸收需求的场景中表现不佳。
3、近年来，负泊松比材料作为一种新型的机械超材料，其非常规拉胀特性在涉及多维形变力学行为的性能强化中展示显著优势。具体表现为受轴向拉伸时径向膨胀，受轴向压缩时径向收缩，这种独特的机械行为能直接大幅提高材料剪切模量和抗冲击性能，合理设计负泊松比结构可有效改善薄壁结构的后屈曲模式以降低抗冲击峰值力，特别适合用于能量吸收应用。
4、因此，利用多维形变相关的负泊松比超结构设计，通过共形设计优化曲面薄壁结构的能量吸收方向性，不仅能提高材料利用率和降低防护系统成本，还能有效抵抗不可预测的能量撞击源，降低生命和财产的损失，为航空航天、船舶、汽车制造等领域结构件赋能增值。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明为了解决现有的正泊松比薄壁结构材料存在上述破碎峰值力高、后屈曲模式单一且能量吸收效率低下以及无法有效应对径向冲击问题，提供一种基于对称剪纸双胞元模型的管状薄壁结构负泊松比化超材料及其设计方法，重点突破管状薄壁结构在实际应用中的径向性能瓶颈。
2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种基于对称剪纸双胞元模型的管状薄壁结构负泊松比化超材料，该管状薄壁结构负泊松比化超材料由重复的多个三维对称剪纸双胞元单元通过阵列排布构建而成，每个对称剪纸双胞元单元由两个相同的重构剪纸胞元单元原位径向对称得到；
4、其中重构剪纸胞元单元的构建方法为：将内径为r-d、外径为r，高度为h的圆环柱体沿着圆周方向均分为a份，沿着轴向z方向将圆环柱体均分为b份；选取圆环柱体外表面上的一个田字格ijkmqponl，其内表面对应的田子格为i’j’k’m’p’o’n’l’，依次连接圆环柱体外表面中心点到田字格四个顶点iknp(即qi,qk,qn,qp)进行预设折痕化，作为初始胞元基体，将四边中心位置顶点iknp沿着半径方向向外移动距离l；再依次连接圆环柱体内表面中心点到田字格四个顶点i’k’n’p’(即q’i’,q’k’,q’n’,q’p’)进行预设折痕化，将四边中心位置顶点i’k’n’p’沿着半径方向向外移动距离l后得到重构剪纸胞元单元，其中ρ、l、r的关系满足：γ＝α+β，α＝∠lqm，β＝∠jqo，γ∈(0，2π)，α∈(0，π)，β∈(0，π)，ρ∈(0，r)，z∈(0，h)，0＜d＜r/10；
5、通过利用3维建模软件，将该重构剪纸单胞元进行复制，并沿方向旋转180°得到重构剪纸胞元原位法向对称体，再进行布尔合集运算切除圆柱面阵列所不需要部分，得到对称剪纸双胞元模型。
6、进一步，剪纸胞元单元中和均为整数，柱面坐标大小为
7、进一步，对称剪纸双胞元单元的列数和层数均≥2，即a≥2；b≥2。
8、进一步，管状薄壁结构负泊松比化超材料的基体材料选用高分子聚合物，采用3d打印技术制造。
9、该基于对称剪纸双胞元模型的管状薄壁结构负泊松比化超材料的设计方法，包括以下步骤：
10、s1、设计模型：
11、s11、使用三维建模软件，建立一个半径为r，高度为h的圆柱体，通过软件删除圆柱上下顶面和底面，获得一个滚轴曲面，将整个滚轴曲面沿切向方向将圆柱表面均分为a份，且为整数，沿轴向z方向将圆柱表面均分为b份，且为整数；
12、s12、将步骤s11中滚轴曲面进行偏移量为-d的挤压，获得厚度为d的圆柱管道状的圆环柱体，选取圆环柱体外表面上的一个田字格ijkmqponl，其内表面对应的田子格为i’j’k’m’q’p’o’n’l’，依次连接圆环柱体外表面中心点q到田字格四个顶点iknp(即qi,qk,qn,qp)进行预设折痕化，作为初始胞元基体，设田字格中心点的柱坐标为其余八个点的原始柱坐标为：
13、s13、将jmol沿着半径方向向外移动距离l后上述ijkmponl八点坐标变为：
14、ρ、l、r的关系满足：r＝r(l)；
15、其中，γ，α，β，ρ，z，d满足：γ＝α+β，α＝∠lqm，β＝∠jqo，γ∈(0，2π)，α∈(0，π)，β∈(0，π)，ρ∈(0，r)，z∈(0，h)，0＜d＜r/10。
16、s14、依次连接圆环柱体内表面中心点q’到田字格四个顶点i’k’n’p’(即q’i’,q’k’,q’n’,q’p’)进行预设折痕化，其中q’坐标为将j’m’o’l’沿着半径方向向外移动距离l后，上述i’j’k’l’m’p’o’n’八点坐标变为：
17、得到一个重构的剪纸胞元单元结构模型，进一步复制该重构剪纸胞元单元结构模型并且原位进行法向对称得到三维对称剪纸双胞元单元结构模型；
18、s2、将步骤s14的对称剪纸双胞元模型沿圆柱柱轴滚面进行周期性重复，获得基于曲面法向对称剪纸双胞元构筑的管状薄壁结构负泊松比化超材料；
19、s3、选择不同3d打印原材料；输入适合的文件格式导入打印软件，根据不同打印原料粘流特性设置打印工艺，打印过程不需要添加任何支撑材料；对模型切片，形成打印路径，建立模型，将模型上传至3d打印机；无支撑3d打印整体成型，得到基于对称剪纸双胞元模型的管状薄壁结构负泊松比化超材料打印成品。
20、进一步，步骤s1使用maxon cinema 4d三维建模软件建模，通过maxon cinema 4d挤压工具进行挤压偏移获得圆柱管道状的圆环柱体。
21、进一步，步骤s1中三维对称剪纸双胞元模型构建是基于剪纸胞元模型构建的。
22、进一步，步骤s1中圆柱体半径r取值为100，h取值为280，圆环柱体厚度d取值为5，a取值为30,b取值为12，γ设定值为177.617°，按此建立基础对称剪纸双胞元模型实体。
23、进一步，步骤s3中3d打印原材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)、聚乳酸(pla)、聚己内酯(pcl)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(abs)中的一种。
24、进一步，步骤s3中三维负泊松比结构在3d打印技术制造时，清除所有支撑选项设置，在一层一层堆积的过程中保持良好的打印形态。
25、本发明的有益效果在于：
26、1、本发明所公开的基于对称剪纸双胞元模型的管状薄壁结构负泊松比化超材料，由于薄壁结构件基于多个三维对称剪纸双胞元单元堆叠而成，使得在发生碰撞初期，曲面法向对称产生的剪纸双胞元具有中空吸能腔室，在发生横向碰撞时能够有效吸收碰撞动能，有效吸收径向冲击能量，提高能量吸收效率，同时，负泊松比化效应会造成结构件向内凹陷，使结构致密化程度加速，进一步提高结构能量吸收效率，增强其横向抗冲击能力，基于仿真模拟实验得出相较于剪纸管状薄壁结构其径向抗冲击吸能效率提高约4倍。因此，本发明的筑柱状薄壁结构化负泊松比设计方法构筑的薄壁结构件具有更好的吸能稳定性，拓宽了其使用场景。
27、2、本发明所公开的基于对称剪纸双胞元模型的管状薄壁结构负泊松比化超材料，以冲击安全防护和能量吸收为导向，针对管状薄壁结构件不对称性易导致的径向性能瓶颈，以剪纸双胞元径向对称化为基础，通过圆柱面阵列设计构建具有可控负泊松比和优异抗冲击峰值性能且径向应力传递不紊乱的超材料；相较于传统的薄壁光滑圆管，内外突出的薄壁管表面有更多的对称剪纸双胞元构筑的吸能腔室，由于在碰撞过程中，吸能腔室变形是主要的吸能方式之一，能够高效提高结构件的吸能效率，所以，这种负泊松比组合结构的吸能效果要明显优于光滑薄壁圆管结构。
28、3、本发明所公开的基于对称剪纸双胞元模型的管状薄壁结构负泊松比化超材料的设计方法，负泊松比化柱状薄壁结构的整体是由重复的对称剪纸双胞元基础单元构建而成，具体构建方法包括：设计基础单元、由基础单元通过沿着柱轴滚面进行周期性重复、构建柱状薄壁结构负泊松比化模型实现薄壁结构表面预设折痕化进行3d打印而成。利用对称剪纸双胞元构筑的中空吸能腔室，促使柱状薄壁结构在径向受碰撞时，碰撞能量由吸能腔室的压缩形变进行吸收，避免柱状薄壁结构表面应力直接传递到内部保护物体，该方法构筑的薄壁结构相较于传统的薄壁结构，有效提高横向冲击抵抗性，提高薄壁结构能量吸收效率。可应用于减振浮筏结构能量吸收柱，以及管状结构作为能量吸收装置的迭代升级，达到装备减质增效，轻量化要求。
29、4、本发明所公开的基于对称剪纸双胞元模型的管状薄壁结构负泊松比化超材料的设计方法，柱状薄壁结构负泊松比化结构具有立方体型结构特征而支持各类3d打印技术制造，材料适用性强，结合各类材料兼容优势，极大扩展了负泊松比材料的应用场景。
30、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
1.一种基于对称剪纸双胞元模型的管状薄壁结构负泊松比化超材料，其特征在于，该管状薄壁结构负泊松比化超材料由柱坐标径向和轴向重复的对称剪纸双胞元单元阵列排布构建而成，每个剪纸双胞元单元由两个相同的重构剪纸胞元单元原位径向对称得到；
2.如权利要求1所述的管状薄壁结构负泊松比化超材料，其特征在于，所述剪纸胞元单元中和均为整数，柱面坐标大小为
3.如权利要求2所述的管状薄壁结构负泊松比化超材料，其特征在于，所述对称剪纸双胞元单元的列数和层数均≥2，即a≥2；b≥2。
4.如权利要求3所述的管状薄壁结构负泊松比化超材料，其特征在于，所述管状薄壁结构负泊松比化超材料的基体材料选用高分子聚合物，采用3d打印技术制造。
5.如权利要求1～4任一项所述的管状薄壁结构负泊松比化超材料，其特征在于，包括以下步骤：
6.如权利要求5所述管状薄壁结构负泊松比化超材料的设计方法，其特征在于，步骤s1使用maxon cinema 4d三维建模软件建模，通过maxon cinema 4d挤压工具进行挤压偏移获得圆柱管道状的圆环柱体。
7.如权利要求5所述管状薄壁结构负泊松比化超材料的设计方法，其特征在于，步骤s1中三维对称剪纸双胞元模型构建是基于剪纸胞元模型构建的。
8.如权利要求5所述管状薄壁结构负泊松比化超材料的设计方法，其特征在于，步骤s1中圆柱体半径r取值为100，h取值为280，圆环柱体厚度d取值为5，a取值为30,b取值为12，γ设定值为177.617°，按此建立基础对称剪纸双胞元模型实体。
9.如权利要求5所述管状薄壁结构负泊松比化超材料的设计方法，其特征在于，步骤s3中3d打印原材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)、聚乳酸(pla)、聚己内酯(pcl)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(abs)中的一种。
10.如权利要求5所述管状薄壁结构负泊松比化超材料的设计方法，其特征在于，步骤s3中三维负泊松比结构在3d打印技术制造时，清除所有支撑选项设置，在一层一层堆积的过程中保持良好的打印形态。
