申请/专利权人：南京工业大学

申请日：2018-12-19

公开（公告）日：2024-06-28

公开（公告）号：CN109446737B

主分类号：G06F30/17

分类号：G06F30/17;G06T17/00;F42B12/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.28#授权;2019.04.02#实质审查的生效;2019.03.08#公开

摘要：本发明公开了一种具有负泊松比效应的子弹头及其设计方法，包括具有负泊松比设计的子弹头圆柱段，以及具有匹配设计的子弹头椎尾和子弹头弹尖；所述子弹头圆柱段为具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构；所述管状结构包括若干孔洞，一个孔洞的中轴线轴垂直于相邻另一个孔洞的中轴线，即每个孔洞的轴线与相邻孔洞结构正交，行和列的孔洞周期性排列行成管状结构，此管状结构便为具有负泊松比效应的管状结构。本发明方法设计出的子弹头具有较大的负泊松比效应，具有减少弹头与枪管之间摩擦所损耗能量的特点，使子弹的初速度更高，穿透力更强，并且极大地提高了枪管的使用寿命，更好的适应了实际需求。

主权项：1.一种具有负泊松比效应的子弹头的设计方法，其特征在于：所述具有负泊松比效应的子弹头，包括具有负泊松比设计的子弹头圆柱段，以及具有匹配设计的子弹头椎尾和子弹头弹尖；所述子弹头圆柱段为具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构；所述管状结构包括若干孔洞，一个孔洞的中轴线轴垂直于相邻另一个孔洞的中轴线，孔洞被安排在一个数组的行和列，每一行和每一列的交替之间为两个相互垂直的孔洞，即每个孔洞的轴线与相邻孔洞结构正交，行和列的孔洞周期性排列行成管状结构，此管状结构便为具有负泊松比效应的管状结构；所述子弹头弹尖的长度M与子弹头直径D的关系满足：3.08MD2.23；所述子弹头的总长度H与子弹头直径D的关系满足：5.4HD3.28；所述子弹头直径D与子弹头椎尾外壳厚度N的关系满足：3DN1.5；所述子弹头圆柱段长度L与子弹头圆柱段圆管厚度T的关系满足：LT＞0.05；所述孔洞包括椭圆形、三角形和多边形；所述具有负泊松比效应的子弹头的设计方法，包括以下步骤：1）根据子弹头的用途确定子弹头各组成部分的形状和尺寸，包括子弹头总长、子弹头圆柱段的长度，子弹头弹尖长度，子弹头椎尾的长度以及子弹头的直径；2）设计子弹头圆柱段具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构，根据设计出的理想负泊松比管状结构和子弹的其他部分进行相匹配，确定具体的尺寸和细部构件的优化，建立三维模型；3）采用3D金属打印技术制作子弹，进行实际的实验测试，验证子弹的负泊松比效应是否满组理想的变形要求和实际使用要求。

全文数据：一种具有负泊松比效应的子弹头及其设计方法技术领域本发明涉及负泊松比效应设计的技术领域，尤其涉及到一种具有负泊松比效应的子弹头及其设计方法。背景技术子弹可以说是集物理学、化学、材料学、空气动力学以及工艺于一身的文明产物。尽管其使用与杀戮有关，但是在采用新的投射能量的技术问世之前，子弹仍然是人类的不二选择。怎样提升子弹的穿透性以及降低出膛时的能量损耗一直是研究的热门课题，负泊松比材料和结构由于其独特的特性越来越多地使用在不同的领域。负泊松比管状结构已经被制造和研究，一种简单的管状结构，在压缩和张力两个方面都表现出了负泊松比行为。将子弹与负泊松比管状结构相结合是设计出一种新型子弹的有一种设计思路。研负泊松比材料的发展已有三十多年，取得了不少成果。但是，大多数现有文献仍然还是基于二维的负泊松比材料研究。三维负泊松比材料多为内部构造复杂的多孔结构，由于过去制造技术的落后，真正运用于实际的三维负泊松比材料很少。3D打印技术，亦被称为增材制造技术，它的出现很好的解决了这个问题，此项技术也被认为是第三次工业革命的标志。利用这一新技术，可以打印形状复杂的三维负泊松比材料和结构。设计和制造的负泊松比材料基材大多为橡胶，承载能力和抗冲击能力较弱。金属超材料力学性能一般都强于弹性体超材料。将具有更好力学性能的三维金属负泊松比材料和先进的3D打印技术相结合生产出具有实际应用价值的负泊松比产品，具有现实意义。负泊松比弹药是将金属负泊松比材料应用于实际的一条思路，根据负泊松比拉胀压缩的特性，发明人提出负泊松比子弹头的设想。发明内容本发明的目的是针对现有技术的不足，将结构优化和3D打印技术相结合，设计和制造了具实用性的负泊松比子弹头，并提出了具体设计方法，设计的子弹头具有减少弹头与枪管之间摩擦所损耗能量的特点。本发明采用的技术方案为：一种具有负泊松比效应的子弹头，包括具有负泊松比设计的子弹头圆柱段，以及具有匹配设计的子弹头椎尾和子弹头弹尖；所述子弹头圆柱段为具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构；所述管状结构包括若干孔洞，一个孔洞的中轴线轴垂直于相邻另一个孔洞的中轴线，孔洞被安排在一个数组的行和列，每一行和每一列的交替之间为两个相互垂直的孔洞，即每个孔洞的轴线与相邻孔洞结构正交，行和列的孔洞周期性排列行成管状结构，此管状结构便为具有负泊松比效应的管状结构；所述子弹头弹尖的长度M与子弹头直径D的关系满足：3.08MD2.23；所述子弹头的总长度H与子弹头直径D的关系满足：5.4HD3.28；所述子弹头直径D与子弹头椎尾外壳厚度N的关系满足：3DN1.5；所述子弹头圆柱段长度L与子弹头圆柱段圆管厚度T的关系满足：LT＞0.05。作为优选，所述孔洞包括椭圆形、三角形和多边形。上述一种具有负泊松比效应的子弹头的设计方法，包括以下步骤：1根据子弹头的用途确定子弹头各组成部分的形状和尺寸，包括子弹头总长、子弹头圆柱段的长度，子弹头弹尖长度，子弹头椎尾的长度以及子弹头的直径；2设计子弹头圆柱段具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构，根据设计出的理想负泊松比管状结构和子弹的其他部分进行相匹配，确定具体的尺寸和细部构件的优化，建立三维模型。3采用3D金属打印技术制作子弹，进行实际的实验测试，验证子弹的负泊松比效应是否满组理想的变形要求和实际使用要求。该子弹头具有减少弹头与枪管之间摩擦所损耗能量的特点。有益效果：本发明方法设计出的子弹头具有较大的负泊松比效应，且能使子弹头发射时降低子弹通过枪管时产生的侧向膨胀并改善了子弹的运动，具有减少弹头与枪管之间摩擦所损耗能量的特点，使子弹的初速度更高，穿透力更强，并且极大地提高了枪管的使用寿命，更好的适应了实际需求。附图说明图1为具有负泊松比效应的子弹头结构示意图；图2为图1的横截面图；图3a为二维孔洞结构平面图；图3b为坐标变换后的管状结构。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步描述：如图1和2所示，一种具有负泊松比效应的子弹头，包括具有负泊松比设计的子弹头圆柱段2，以及具有匹配设计的子弹头椎尾1和子弹头弹尖3；所述子弹头圆柱段2为具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构；所述管状结构包括若干孔洞，一个孔洞的中轴线轴垂直于相邻另一个孔洞的中轴线，孔洞被安排在一个数组的行和列，每一行和每一列的交替之间为两个相互垂直的孔洞，即每个孔洞的轴线与相邻孔洞结构正交，行和列的孔洞周期性排列行成管状结构，此管状结构便为具有负泊松比效应的管状结构；所述子弹头弹尖3的长度M与子弹头直径D的关系满足：3.08MD2.23；所述子弹头的总长度H与子弹头直径D的关系满足：5.4HD3.28；所述子弹头直径D与子弹头椎尾1外壳厚度N的关系满足：3DN1.5；所述子弹头圆柱段2长度L与子弹头圆柱段2圆管厚度T的关系满足：LT＞0.05。所述孔洞包括椭圆形、三角形和多边形。上述一种具有负泊松比效应的钉子的设计详细步骤为：1、确定子弹头各组成部分的形状和尺寸；根据用途，确定设计的子弹头各组成尺寸，如子弹头总长H、子弹头圆柱段的长度L，子弹头弹尖长度M，子弹头椎尾的长度N以及圆柱段管状结构的厚度T，如图1和图2所示。2、设计子弹头圆柱段具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构，其孔状结构包括：①椭圆形；②三角形；③多边形。此处以椭圆形孔洞为例，具体实施方式如下：首先，设计负泊松比管状结构，图3a显示了一个其孔洞分数为0.69的平面图。在平面约束下，它展示了由弹性不稳定引起的负泊松比的行为。使用坐标变换方法，可以将平面薄片转换成管状结构，如图3b所示。值得注意的是，由于子弹壁的厚度较小，可以将其视为薄壁。接下来，进行线性弹性基础材料的初始管状结构的屈曲分析。在单轴压缩下进行屈曲分析，以获得理想的屈曲模型。用相关的特征求解器进行求解。在这项工作中，在有限元模型的上，下节点上在平面外自由旋转的自由度受到了限制。沿着压缩方向的底部节点的自由度也受限制。应该注意的是，底部的一个节点是固定的，以避免刚性旋转。外壳元素被用于屈曲分析，用特征计算器进行线性屈曲分析。最后，找出理想的屈曲模型并改变相关参数，形成理想的负泊松比管状结构。理想的屈曲模式的选择相似于以往对平面负泊松比结构的研究，更具体地说，预期的屈曲模型应包含类似于交替椭球模型的几何形状。选择出理想的屈曲模型即具有周期性排列的孔洞管状结构，采用PSF的方法，利用理想的屈曲模式对初始管状结构的调整进行量化。即可得出理想的负泊松比管状结构。根据设计出的理想负泊松比管状结构和子弹的其他部分进行相匹配，确定具体的尺寸和细部构件的优化，建立三维模型。需要注意的是由于子弹部件尺寸较小，设计具体尺寸时应注意满足3D打印机的最小可打印尺寸。3、采用3D打印技术生成所设计的具有负泊松比效应的子弹头，进行简单实验是否满足变形和受力要求。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

权利要求：1.一种具有负泊松比效应的子弹头，其特征在于：包括具有负泊松比设计的子弹头圆柱段，以及具有匹配设计的子弹头椎尾和子弹头弹尖；所述子弹头圆柱段为具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构；所述管状结构包括若干孔洞，一个孔洞的中轴线轴垂直于相邻另一个孔洞的中轴线，孔洞被安排在一个数组的行和列，每一行和每一列的交替之间为两个相互垂直的孔洞，即每个孔洞的轴线与相邻孔洞结构正交，行和列的孔洞周期性排列行成管状结构，此管状结构便为具有负泊松比效应的管状结构；所述子弹头弹尖的长度M与子弹头直径D的关系满足：3.08MD2.23；所述子弹头的总长度H与子弹头直径D的关系满足：5.4HD3.28；所述子弹头直径D与子弹头椎尾外壳厚度N的关系满足：3DN1.5；所述子弹头圆柱段长度L与子弹头圆柱段圆管厚度T的关系满足：LT＞0.05。2.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比效应的子弹头，其特征在于：所述孔洞包括椭圆形、三角形和多边形。3.根据权利要求1或2所述的一种具有负泊松比效应的子弹头的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：1根据子弹头的用途确定子弹头各组成部分的形状和尺寸，包括子弹头总长、子弹头圆柱段的长度，子弹头弹尖长度，子弹头椎尾的长度以及子弹头的直径；2设计子弹头圆柱段具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构，根据设计出的理想负泊松比管状结构和子弹的其他部分进行相匹配，确定具体的尺寸和细部构件的优化，建立三维模型；3采用3D金属打印技术制作子弹，进行实际的实验测试，验证子弹的负泊松比效应是否满组理想的变形要求和实际使用要求。

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