CN107401218A - 一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料 - Google Patents
一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107401218A CN107401218A CN201710609587.XA CN201710609587A CN107401218A CN 107401218 A CN107401218 A CN 107401218A CN 201710609587 A CN201710609587 A CN 201710609587A CN 107401218 A CN107401218 A CN 107401218A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- negative poisson
- gradient
- lattice material
- unit cell
- ratio
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E04—BUILDING
- E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
- E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
- E04B1/18—Structures comprising elongated load-supporting parts, e.g. columns, girders, skeletons
- E04B1/19—Three-dimensional framework structures
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Architecture (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
本发明公开了一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料,通过单胞元点阵结构空间延拓布置形成。单胞元是由反弯曲线杆件构成的负泊松比结构,定义直角坐标系,单胞元位于X‑Y平面上。通过单胞元结构在X与Y方向上的延拓布置,形成一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料。在该延拓布置过程中,组成单胞元的反弯曲线杆件在大小与形状上不断发生变异,使点阵材料具有了梯度功能,本发明的梯度负泊松比特性点阵材料的物性参数如弹性模量、泊松比、密度等随空间位置呈梯度变化。这种具有梯度负泊松比特性的点阵材料结构自重轻,可设计性强,具有独特的力学性能,如剪切模量高,抗断裂性能强,缓冲效果好,并且结构取材方便,制作方法简易,应用前景十分可观。
Description
技术领域
本发明属于工程结构领域,尤其涉及一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料。
背景技术
自然界中所有的材料都具有正泊松比,而人工制造的负泊松比材料具有独特的力学性能,在纵向拉伸时,横向发生膨胀,受压时横向发生收缩,随着工程技术的迅猛发展,负泊松比材料都到越来越多工程师的关注与重视,点阵材料具有高孔隙率,可以通过对点阵结构的单胞构型设计使点阵结构具有高比强度、高比刚度、高抗弯强度的优点,使得在相同结构承载力作用下可节省大量的材料,大大减轻了结构自重。梯度负泊松比特性点阵材料的物性参数如弹性模量、泊松比、密度等随空间位置呈梯度变化。这种具有梯度负泊松比特性的点阵材料结构自重轻,可设计性强,具有独特的力学性能,如剪切模量高,抗断裂性能强,缓冲效果好,并且结构取材方便,制作方法简易,应用前景十分可观。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料,它的物性参数如弹性模量、泊松比和密度等随空间位置呈梯度变化。
技术方案:本发明的一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料,单胞元是由反弯曲线杆件构成的负泊松比结构,定义直角坐标系,单胞元位于X-Y平面上;通过单胞元结构在X与Y方向上的延拓布置,形成一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料;在该延拓布置过程中,组成单胞元的反弯曲线杆件在大小与形状上不断发生变异,使点阵材料具有了梯度功能。
其中:
所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料由金属、纤维增强复合材料或其它非金属材料构成。
所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料,其梯度负泊松比特性是通过改变单胞元反弯曲线杆件的大小或线形而形成的,或者两者同时发生改变。
所述单胞元反弯曲线杆件的曲线形状有正弦曲线、余弦曲线、圆曲线或其他曲率连续变化的曲线。
所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料,其弹性模量、泊松比和密度随空间位置呈梯度变化。
所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料,能将二维的梯度负泊松比点阵材料弯曲成圆筒状结构及其他闭合曲面筒状结构。
有益效果:实现了负泊松比点阵材料具备梯度功能,获得了具有梯度负泊松比点阵材料,这种具有梯度负泊松比特性的点阵材料结构自重轻,可设计性强,具有独特的力学性能,如剪切模量高,抗断裂性能强,缓冲效果好,并且结构取材方便,制作方法简易,应用前景十分可观。
附图说明
图1为本发明的为双向恒定梯度负泊松比点阵材料的示意图;
图2为本发明的负泊松比点阵材料单胞元的示意图;
图3为本发明的单向恒定梯度负泊松比点阵材料的示意图;
图4为本发明的单向变化梯度负泊松比点阵材料的示意图;
图5为本发明的双向变化梯度负泊松比点阵材料的示意图。
图中:1、2、3、4、5、6、7、8、9分别表示为负泊松比点阵材料第一至第九单胞元。
L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11、L12分别表示单胞元在坐标轴方向上的投影长度。
a1、a2为负泊松比点阵材料的X方向反弯曲线杆,b1、b2为负泊松比点阵材料的Y方向反弯曲线杆。
具体实施方式
本发明的形成方法如下:
1)由单胞元通过空间延拓布置形成,单胞元是由反弯曲线杆件构成的负泊松比结构。
2)定义直角坐标系,单胞元位于X-Y平面上。通过单胞元结构在X与Y方向上的延拓布置,形成一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料。在该延拓布置过程中,组成单胞元的反弯曲线杆件在大小与形状上不断发生变异,使点阵材料具有了梯度功能。
本发明中的梯度负泊松比点阵材料由金属、纤维增强复合材料及其它非金属材料构成。
本发明中的梯度负泊松比点阵材料单胞元是由反弯曲线杆件构成的负泊松比结构,在纵向拉伸时,横向发生膨胀,受压时横向发生收缩。
本发明中的梯度负泊松比点阵材料相邻的两个单胞元反弯曲线杆件的大小或线形是不相同的,或者两者均不相同。
本发明中的梯度负泊松比点阵材料单胞元反弯曲线杆件的曲线形状有正弦曲线,余弦曲线,圆曲线及其他曲率连续变化的曲线等。
本发明中的梯度负泊松比点阵材料的梯度功能是通过改变单胞元反弯曲线杆件的大小或线形,或者同时改变大小和线形来实现的。
本发明中的梯度负泊松比点阵材料宏观上的物性参数,如弹性模量、泊松比和密度等随空间位置呈梯度变化。
本发明同样适用于将二维的梯度负泊松比点阵材料弯曲成圆筒状结构及其他闭合曲面筒状结构。
下面结合附图,通过实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1:
1)如图1所示,本实施例为双向恒定梯度负泊松比点阵材料,负泊松比点阵材料在X和Y方向上均具有梯度功能,负泊松比点阵材料第一单胞元1,单胞元示意图如图2,其中a1、a2为负泊松比点阵材料的X方向反弯曲线杆,其中b1、b2为负泊松比点阵材料的Y方向反弯曲线杆,a1、a2、b1、b2均为圆曲线杆,L1、L2为第一单胞元1X方向反弯曲线杆a1、a2在X方向上的投影长度,L5、L6为第一单胞元1Y方向反弯曲线杆b1、b2在Y方向上的投影长度。
2)将负泊松比点阵材料第一单胞元1沿X、Y方向进行延拓布置,形成第二单胞元2、第三单胞元3、第四单胞元4,在进行X方向延拓过程中,单胞元X方向反弯曲线杆在X方向上的投影长度逐步增大,即L1<L3,L2<L4,在进行Y方向延拓过程中,单胞元Y方向反弯曲线杆在Y方向上的投影长度逐步增大,即L5<L7,L6<L8,以此类推形成双向恒定梯度负泊松比点阵材料。
实施例2:
1)如图3所示,本实施例为单向恒定梯度负泊松比点阵材料,负泊松比点阵材料在单一方向上具有梯度功能,负泊松比点阵材料第一单胞元1,单胞元示意图如图2,其中a1、a2为负泊松比点阵材料的X方向反弯曲线杆,其中b1、b2为负泊松比点阵材料的Y方向反弯曲线杆,a1、a2、b1、b2均为圆曲线杆,L1、L2为第一单胞元1X方向反弯曲线杆a1、a2在X方向上的投影长度,L5、L6为第一单胞元1Y方向反弯曲线杆b1、b2在Y方向上的投影长度。
2)将负泊松比点阵材料第一单胞元1沿X、Y方向进行延拓布置,形成第二单胞元2、第三单胞元3、第四单胞元4,在进行X方向延拓过程中,单胞元X方向反弯曲线杆在X方向上的投影长度逐步增大,即L1<L3,L2<L4,在进行Y方向延拓过程中,单胞元Y方向反弯曲线杆在Y方向上的投影长度保持不变,即L5=L7,L6=L8,以此类推形成单向恒定梯度负泊松比点阵材料。
实施例3:
1)如图4所示,本实施例为单向变化梯度负泊松比点阵材料,负泊松比点阵材料在单一方向上的梯度变化具有双向性,即材料的负泊松比变化表现为:沿单一方向先逐渐增加后逐渐减小,负泊松比点阵材料第一单胞元1,单胞元示意图如图2,其中a1、a2为负泊松比点阵材料的X方向反弯曲线杆,其中b1、b2为负泊松比点阵材料的Y方向反弯曲线杆,a1、a2、b1、b2均为圆曲线杆,L1、L2为第一单胞元1X方向反弯曲线杆a1、a2在X方向上的投影长度,L7、L8为第一单胞元1Y方向反弯曲线杆b1、b2在Y方向上的投影长度。
2)将负泊松比点阵材料第一单胞元1沿X、Y方向进行延拓布置,形成第二单胞元2、第三单胞元3、第四单胞元4、第五单胞元5、第六单胞元6,在进行X方向延拓过程中,单胞元X方向反弯曲线杆在X方向上的投影长度先增大后减小,即L1<L3,L2<L4,L3>L5,L4>L6,在进行Y方向延拓过程中,单胞元Y方向反弯曲线杆在Y方向上的投影长度保持不变,即L7=L9,L8=L10,以此类推形成单向变化梯度负泊松比点阵材料。
实施例4:
1)如图5所示,本实施例为双向变化梯度负泊松比点阵材料,负泊松比点阵材料在X方向和Y方向上的梯度变化均具有双向性,即材料的负泊松比变化表现为:沿X方向和Y方向均先逐渐增加后逐渐减小,负泊松比点阵材料第一单胞元1,单胞元示意图如图2,其中a1、a2为负泊松比点阵材料的X方向反弯曲线杆,其中b1、b2为负泊松比点阵材料的Y方向反弯曲线杆,a1、a2、b1、b2均为圆曲线杆,L1、L2为第一单胞元1X方向反弯曲线杆a1、a2在X方向上的投影长度,L7、L8为第一单胞元1Y方向反弯曲线杆b1、b2在Y方向上的投影长度。
2)将负泊松比点阵材料第一单胞元1沿X、Y方向进行延拓布置,形成第二单胞元2、第三单胞元3、第四单胞元4、第五单胞元5、第六单胞元6、第七单胞元7、第八单胞元8、第九单胞元9,在进行X方向延拓过程中,单胞元X方向反弯曲线杆在X方向上的投影长度先增大后减小,即L1<L3,L2<L4,L3>L5,L4>L6,在进行Y方向延拓过程中,单胞元Y方向反弯曲线杆在Y方向上的投影长度先增大后减小,即L7<L9,L8<L10,L9>L11,L10>L12,以此类推形成双向变化梯度负泊松比点阵材料。
Claims (6)
1.一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料,其特征在于,单胞元是由反弯曲线杆件构成的负泊松比结构,定义直角坐标系,单胞元位于X-Y平面上;通过单胞元结构在X与Y方向上的延拓布置,形成一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料;在该延拓布置过程中,组成单胞元的反弯曲线杆件在大小与形状上不断发生变异,使点阵材料具有了梯度功能。
2.根据权利要求1所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料,其特征在于,所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料由金属、纤维增强复合材料或其它非金属材料构成。
3.根据权利要求1所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料,其特征在于,所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料,其梯度负泊松比特性是通过改变单胞元反弯曲线杆件的大小或线形而形成的,或者两者同时发生改变。
4.根据权利要求1所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料,其特征在于,所述单胞元反弯曲线杆件的曲线形状有正弦曲线、余弦曲线、圆曲线或其他曲率连续变化的曲线。
5.根据权利要求1所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料,其特征在于,所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料,其弹性模量、泊松比和密度随空间位置呈梯度变化。
6.根据权利要求1所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料,其特征在于,所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料,能将二维的梯度负泊松比点阵材料弯曲成圆筒状结构及其他闭合曲面筒状结构。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201710609587.XA CN107401218B (zh) | 2017-07-25 | 2017-07-25 | 一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201710609587.XA CN107401218B (zh) | 2017-07-25 | 2017-07-25 | 一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN107401218A true CN107401218A (zh) | 2017-11-28 |
CN107401218B CN107401218B (zh) | 2019-02-05 |
Family
ID=60401453
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201710609587.XA Active CN107401218B (zh) | 2017-07-25 | 2017-07-25 | 一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN107401218B (zh) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108389258A (zh) * | 2018-02-28 | 2018-08-10 | 东北大学 | 一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件 |
CN109033486A (zh) * | 2018-05-09 | 2018-12-18 | 河南工业大学 | 一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料 |
CN110939853A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-03-31 | 北京理工大学 | 一种高效柔性二维平面点阵结构 |
CN111720467A (zh) * | 2020-06-08 | 2020-09-29 | 大连理工大学 | 一种大变形状态下具有稳定零泊松比的点阵结构 |
CN111895015A (zh) * | 2020-07-03 | 2020-11-06 | 重庆大学 | 基于增材制造的变体梯度点阵结构 |
CN113029802A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-06-25 | 中南大学 | 一种点阵材料等效弹性静力学参数高精度测试方法 |
CN113153073A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-07-23 | 福建厚德节能科技发展有限公司 | 蒸压加气混凝土防水窗台 |
CN115985419A (zh) * | 2022-12-11 | 2023-04-18 | 西南交通大学 | 具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104890308A (zh) * | 2015-06-23 | 2015-09-09 | 湖南大学 | 一种三明治结构及蜂窝结构芯体 |
CN105020566A (zh) * | 2015-05-07 | 2015-11-04 | 重庆大学 | 变截面金属点阵结构及其加工方法 |
US9241808B2 (en) * | 2012-08-27 | 2016-01-26 | Anthony Sabatino | Auxetic prosthetic implant |
CN106457748A (zh) * | 2014-01-24 | 2017-02-22 | 墨尔本皇家理工大学 | 结构化多孔超材料 |
CN106599420A (zh) * | 2016-12-02 | 2017-04-26 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种用于航天器的零膨胀点阵圆柱壳结构及其设计方法 |
-
2017
- 2017-07-25 CN CN201710609587.XA patent/CN107401218B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9241808B2 (en) * | 2012-08-27 | 2016-01-26 | Anthony Sabatino | Auxetic prosthetic implant |
CN106457748A (zh) * | 2014-01-24 | 2017-02-22 | 墨尔本皇家理工大学 | 结构化多孔超材料 |
CN105020566A (zh) * | 2015-05-07 | 2015-11-04 | 重庆大学 | 变截面金属点阵结构及其加工方法 |
CN104890308A (zh) * | 2015-06-23 | 2015-09-09 | 湖南大学 | 一种三明治结构及蜂窝结构芯体 |
CN106599420A (zh) * | 2016-12-02 | 2017-04-26 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种用于航天器的零膨胀点阵圆柱壳结构及其设计方法 |
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108389258B (zh) * | 2018-02-28 | 2020-07-14 | 东北大学 | 一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件 |
CN108389258A (zh) * | 2018-02-28 | 2018-08-10 | 东北大学 | 一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件 |
CN109033486A (zh) * | 2018-05-09 | 2018-12-18 | 河南工业大学 | 一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料 |
CN109033486B (zh) * | 2018-05-09 | 2023-12-12 | 河南工业大学 | 一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料 |
CN110939853A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-03-31 | 北京理工大学 | 一种高效柔性二维平面点阵结构 |
CN111720467A (zh) * | 2020-06-08 | 2020-09-29 | 大连理工大学 | 一种大变形状态下具有稳定零泊松比的点阵结构 |
CN111895015A (zh) * | 2020-07-03 | 2020-11-06 | 重庆大学 | 基于增材制造的变体梯度点阵结构 |
CN111895015B (zh) * | 2020-07-03 | 2022-07-08 | 重庆大学 | 基于增材制造的变体梯度点阵结构 |
CN113153073B (zh) * | 2021-04-19 | 2022-12-06 | 福建厚德节能科技发展有限公司 | 蒸压加气混凝土防水窗台 |
CN113153073A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-07-23 | 福建厚德节能科技发展有限公司 | 蒸压加气混凝土防水窗台 |
CN113029802A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-06-25 | 中南大学 | 一种点阵材料等效弹性静力学参数高精度测试方法 |
CN113029802B (zh) * | 2021-04-20 | 2022-10-18 | 中南大学 | 一种点阵材料等效弹性静力学参数高精度测试方法 |
CN115985419A (zh) * | 2022-12-11 | 2023-04-18 | 西南交通大学 | 具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法 |
CN115985419B (zh) * | 2022-12-11 | 2024-06-11 | 西南交通大学 | 具有梯度泊松比分布特性的夹心梁蜂窝芯层结构的设计方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN107401218B (zh) | 2019-02-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107401218A (zh) | 一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料 | |
Wickeler et al. | Novel origami-inspired metamaterials: Design, mechanical testing and finite element modelling | |
Li et al. | Numerical analysis on mechanical behaviors of hierarchical cellular structures with negative Poisson’s ratio | |
Ge et al. | A finite element analysis of a 3D auxetic textile structure for composite reinforcement | |
CN105354390B (zh) | 一种预测平面斜交编织复合材料双向拉伸模量与强度的方法 | |
Bai et al. | A corrugated flexible composite skin for morphing applications | |
CN110939853B (zh) | 一种高效柔性二维平面点阵结构 | |
Tian et al. | Machine learning-based prediction and inverse design of 2D metamaterial structures with tunable deformation-dependent Poisson's ratio | |
CN112664601A (zh) | 一种具有负泊松比特性的圆弧曲线蜂窝芯结构 | |
Liu et al. | Flatwise compression property of hierarchical thermoplastic composite square lattice | |
Bank et al. | Structural analysis of FRP parts from waste wind turbine blades for building reuse applications | |
CN113609722A (zh) | 一种实现高正负泊松比的点阵结构设计方法 | |
CN210034261U (zh) | 一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料 | |
CN109519691B (zh) | 一种基于负曲率桁架模型的负泊松比材料 | |
CN113094961B (zh) | 基于量子材料原子结构的负泊松比超材料及其设计方法 | |
Li et al. | Auxetic and failure characteristics of composite stacked origami cellular materials under compression | |
Sun et al. | Microstructure and mechanical properties of 3D surface-core 4-directional braided composites | |
CN105205207A (zh) | 一种计算双筋加强正六边形蜂窝轴向压缩应力的方法 | |
CN105063885B (zh) | 基于空间群p4对称性的三维编织材料 | |
Maji et al. | Free vibration analysis of CNTs-reinforced functionally graded conical shell | |
CN104504283A (zh) | 一种确定随机分布碳纳米管网络刚度阈值的方法 | |
Hu et al. | Formability of weft-knitted fabrics on a hemisphere | |
CN112728392A (zh) | 一种具有多种模量和负泊松比性质的二维多胞结构 | |
Lin et al. | Load carrying capacity analysis and gradient design of new 3D zero Poisson's ratio structures | |
CN114658782B (zh) | 一种性能增强的双向缓冲吸能超材料 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |