斜向自支撑余弦曲壳结构多稳态特性研究
Research on multistable characteristics of inclined self-supporting cosine-curved shell structures
- 机械强度 2025年47卷第11期 页码：79-88
- 作者机构：
1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074
2.重庆交通职业学院 智能制造与汽车学院，重庆 402274
- 作者简介：
CHEN Zhuo, E-mail: zhuochen@cqjtu.edu.cn
- 基金信息：重庆市博士后科学基金项目(CSTB2023NSCQ-BHX0185)
DOI：DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.010
中图分类号： TB34收稿：2024-02-03，
修回：2024-04-19，
纸质出版：2025-11-15
- 稿件说明：
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陈卓，王鑫，王帅，等. 斜向自支撑余弦曲壳结构多稳态特性研究［J］. 机械强度，2025，47（11）：79-88.
CHEN Zhuo，WANG Xin，WANG Shuai，et al. Research on multistable characteristics of inclined self-supporting cosine-curved shell structures［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（11）：79-88.
陈卓，王鑫，王帅，等. 斜向自支撑余弦曲壳结构多稳态特性研究［J］. 机械强度，2025，47（11）：79-88. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.010.
CHEN Zhuo，WANG Xin，WANG Shuai，et al. Research on multistable characteristics of inclined self-supporting cosine-curved shell structures［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（11）：79-88. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.11.010.
摘要
负刚度多稳态结构具有可调节性和可恢复性，因而广泛应用于各个领域。现有负刚度多稳态曲壳结构形式较为单一、组装灵活度不足，为此设计了一种基于余弦函数的斜向自支撑多稳态曲壳结构。利用有限元仿真，探究单胞和串联双胞的反力-位移、稳态与刚度的变化规律，分析曲壳高度、斜支撑高度对结构稳态特性的影响，最后利用响应面优化算法确定单胞最优参数。另一方面，借助3D打印技术制作TPU材料的双胞结构实物，进行准静态压缩试验，并将试验结果与仿真数据进行对比。研究表明，与已有的厚围环曲壳结构相比，斜向自支撑曲壳结构更易实现双稳态；通过合理控制曲壳高度与支撑结构高度，可以得到具有双稳态单胞，以及三稳态的串联双胞结构；在压缩过程中各个稳态之间可以实现跳跃切换，且正刚度随压缩过程增大；平行串联与翻转串联在加载中均可以体现每个胞元的屈曲过程，具有三稳态，比现有厚围环曲壳结构更易实现多胞元的任意、灵活组合叠加。斜向自支撑余弦曲壳结构为结构性能可调节及能量吸收与自锁提供了新结构，也为多稳态结构领域发展提供了新的方向。
Abstract
Negative stiffness multistable structures are widely utilized across various fields due to their adjustability and recoverability. However
the existing negative stiffness multistable curved dome is limited in its form and assembly flexibility. Therefore
this study proposes a design for a self-supporting negative stiffness multistable curved dome based on the cosine function. Finite element simulation was employed to investigate the force-displacement characteristics
steady-state behavior
and stiffness of individual units and the overall system. Furthermore
the impact of the curved dome’s height and the supporting part’s height on the steady-state properties of the structure was analyzed. Subsequently
an optimization algorithm based on response surface methodology was utilized to determine the optimal parameters for the unit. Additionally
3D printing technology was employed to fabricate a twin-unit system using TPU material
followed by conducting quasi-static compression experiments and comparing the results with simulation data. The results indicate that the self-supporting curved dome
compared to the existing thick-encircled curved dome
facilitates easier attainment of a bistable state. By effectively controlling the height of the curved dome and the supporting structure
a bistable as well as a tri-stable state can be achieved. During the compression process
the system’s stable state can be altered
and the positive stiffness increases as compression progresses. Both parallel and flipped connections demonstrate the buckling process of each unit during loading and its tri-stable state. The self-supporting cosine curved dome enables more flexible combinations and superposition of multiple units compared to the existing thick encircled curved dome. The self-supporting cosine curved dome provides a new structure for programmable and intelligent control of structural performance and offers a promising direction for the advancement of multistable structures.
关键词
Keywords
references
任晨辉 . 船舶负刚度超材料与结构的设计方法和性能研究 ［D］. 上海 ： 上海交通大学 ， 2022 ： 128 - 130 .
REN Chenhui . Research on design method and mechanical properties of negative stiffness metamaterials and structures of ships ［D］. Shanghai ： Shanghai Jiao Tong University ， 2022 ： 128 - 130 . （In Chinese）
ZHANG Y ， TICHEM M ， VAN KEULEN F . A novel design of multi-stable metastructures for energy dissipation ［J］. Materials & Design ， 2021 ， 212 ： 110234 .
付源 . 基于双稳态屈曲梁负刚度的主动隔振技术研究 ［D］. 哈尔滨 ： 东北林业大学 ， 2023 ： 33 - 44 .
FU Yuan . Active vibration isolation technology based on negative stiffness of bistable flexion beam ［D］. Harbin ： Northeast Forestry University ， 2023 ： 33 - 44 . （In Chinese）
宋伟志 ， 周辉 ， 刘志恩 ， 等 . 基于磁化电流法的双稳态非线性能量阱抑振性能研究 ［J］. 机械强度 ， 2023 ， 45 （ 2 ）： 271 - 277 .
SONG Weizhi ， ZHOU Hui ， LIU Zhien ， et al . Research on vibration suppression performance of BNES based on magnetizing current method ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 2 ）： 271 - 277 . （In Chinese）
CROCE S ， NEU J ， HUBERTUS J ， et al . Model-based design optimization of soft polymeric domes used as nonlinear biasing systems for dielectric elastomer actuators ［J］. Actuators ， 2021 ， 10 （ 9 ）： 209 .
WANG J X ， LIU X ， YANG Q S ， et al . A novel programmable composite metamaterial with tunable Poisson’s ratio and bandgap based on multi-stable switching ［J］. Composites Science and Technology ， 2022 ， 219 ： 109245 .
CHEN T ， MUELLER J ， SHEA K ， et al . Integrated design and simulation of tunable，multi-state structures fabricated monolithically with multi-material 3D printing ［J］. Scientific Reports ， 2017 ， 7 （ 1 ）： 45671 .
FALOPE F O ， PELLICIARI M ， LANZONI L ， et al . Snap-through and Eulerian buckling of the bi-stable von Mises truss in nonlinear elasticity：a theoretical，numerical and experimental investigation ［J］. International Journal of Non-Linear Mechanics ， 2021 ， 134 ： 103739 .
SHAN S C ， KANG S H ， RANEY J R ， et al . Multistable architected materials for trapping elastic strain energy ［J］. Advanced Materials ， 2015 ， 27 （ 29 ）： 4296 - 4301 .
刘姣姣 . 多稳态结构吸能特性及其优化设计分析 ［D］. 大连 ： 大连理工大学 ， 2023 ： 23 - 29 .
LIU Jiaojiao . Energy absorption characteristics and optimization design analysis of multi-stable structures ［D］. Dalian ： Dalian University of Technology ， 2023 ： 23 - 29 . （In Chinese）
王帅 . 结构模块化多稳态超材料的设计及其力学性能的调控机制 ［D］. 北京 ： 北京工业大学 ， 2022 ： 22 - 27 .
WANG Shuai . Design of modular multistable metamaterials and its regulation mechanism of mechanical properties ［D］. Beijing ： Beijing University of Technology ， 2022 ： 22 - 27 . （In Chinese）
TAN X J ， WANG B ， WANG L C ， et al . Effect of beam configuration on its multistable and negative stiffness properties ［J］. Composite Structures ， 2022 ， 286 ： 115308 .
CHEN B C ， CHEN L M ， DU B ， et al . Novel multifunctional negative stiffness mechanical metamaterial structure：tailored functions of multi-stable and compressive mono-stable ［J］. Composites Part B：Engineering ， 2021 ， 204 ： 108501 .
LI Q Q ， ZHAN L Y ， HU L ， et al . A negative stiffness structure with multi-stable characteristic ［J］. Composite Structures ， 2023 ， 308 ： 116715 .
PAN F ， LI Y L ， LI Z Y ， et al . 3D pixel mechanical metamaterials ［J］. Advanced Materials ， 2019 ， 31 （ 25 ）： 1900548 .
TAN X J ， ZHU S W ， WANG B ， et al . Mechanical response of negative stiffness truncated-conical shell systems：experiment，numerical simulation and empirical model ［J］. Composites Part B：Engineering ， 2020 ， 188 ： 107898 .
DONG Y Y ， YU T ， ZHANG Z J ， et al . Design and mechanical analysis of 3D negative-stiffness curved domes with Bessel-functional profile ［J］. Composite Structures ， 2023 ， 304 ： 116422 .
ALTURKI M ， BURGUEÑO R . Multistable cosine-curved dome system for elastic energy dissipation ［J］. Journal of Applied Mechanics ， 2019 ， 86 （ 9 ）： 091002 .
吴佳穗 . 多稳态吸能结构设计及特性研究 ［D］. 武汉 ： 华中科技大学 ， 2020 ： 52 - 63 .
WU Jiasui . Absorption structure design and characteristic study of multi-stable energy ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2020 ： 52 - 63 . （In Chinese）
铁摩辛柯 S ， 沃诺斯基 S . 板壳理论 ［M］. 北京 ： 科学出版社 ， 1977 ： 573 - 577 .
TIMOSHENKO S ， WOINOWSKY S . Theory of plates and shells ［M］. Beijing ： Science Press ， 1977 ： 573 - 577 . （In Chinese）
QIU J ， LANG H J ， SLOCUM H A . A curved-beam bistable mechanism ［J］. Journal of Microelectromechanical Systems ， 2004 ， 13 （ 2 ）： 137 - 146 .
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