CN108389258A - 一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件 - Google Patents
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Abstract
一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件，为弹性材料科学技术领域。该一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元，为回形结构，包括两条镜像对称布置的侧边和平行对称的两条横梁，其中，侧边由双材料组成，为双材料侧边，呈现负泊松比效应。该双材料大刚度多孔负泊松比结构部件为立体结构，由多个双材料大刚度多孔负泊松比胞元经过三维排列组成。对该结构部件进行有限元数值模拟，结果验证，其具有的负泊松比效应，并具有高于传统蜂窝结构的刚度性能，该具有大刚度的结构设计扩大了负泊松比结构的应用范围，且可根据该种结构的自适应刚度性能的变化来实现减震吸能等作用。
Description
技术领域
本发明涉及弹性材料科学技术领域，具体涉及一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其 结构部件。
背景技术
泊松比是法国科学家西蒙·泊松(Simon Denis Poisson，1781-1840)最先发现并提出的，定 义为负的横向收缩应变与纵向伸长应变之比。
传统材料受到压缩(拉伸)时横向应变为正(负)，而纵向应变为负(正)，可知材料的泊松比 为正，自然界中绝大多数材料具有正的泊松比值，且在0.3附近，橡胶类材料为1/2，金属铝 为0.133，铜为0.127，典型的聚合物泡沫为0.11～0.14等。对于各向同性材料，由于应变能 的非负要求，弹性理论表明，泊松比v为-1＜ν＜1/2。根据经典弹性理论，二维各向同性材 料的极限泊松比为-1到1，而三维各向同性材料的泊松比取值范围为-1到0.5。与传统材料相 反，负泊松比材料在受到单轴拉伸时横向应变则产生外胀现象，其单轴拉伸时变形示意图见 图1(b)，因此，负泊松比材料亦即称为“拉胀材料”，因此横向应变与纵向应变均为正，由泊 松比的定义可知此时材料的泊松比是负的。而传统材料单轴拉伸时变形示意图见图1(a)。
作为一种新型材料，负泊松比材料较传统材料具有更多特殊而优越的力学性能，如剪切 模量大、断裂韧度高、吸能效率高、比强度和比刚度高等优点，使得该种材料具有更广阔的 应用前景。自美国著名材料科学家Lakes教授利用工业热塑性开孔泡沫首次制得泊松比为-0.7 的各向同性泡沫材料，并对其进行力学性能分析之后，负泊松比材料逐渐成为了材料学家关 注的焦点之一。
大量研究表明，当材料的结构具有负泊松比效应时，结构刚度性能较差，使得负泊松比 结构的应用受限，故本发明研究设计一种双材料大刚度多孔负泊松比结构，弥补负泊松比结 构刚度性能较差的缺点。
发明内容
本发明提出了一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件，该结构部件是由两种 材料组成的具有负泊松比效应的多孔结构，对该结构进行有限元数值模拟，结果验证，该结 构具有的负泊松比效应，并具有高于传统蜂窝结构的刚度性能，该具有大刚度的结构设计扩 大了负泊松比结构的应用范围，且可根据该种结构的自适应刚度性能的变化来实现减震吸能 等作用。
本发明的一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元，为回形结构，包括两条镜像对称布置的 侧边和平行对称的两条横梁，其中，侧边由双材料组成，为双材料侧边，呈现负泊松比效应；
所述的双材料为两种不同弹性模量材料，其中，第一弹性模量材料的弹性模量和第二弹 性模量材料的弹性模量的比值≥10；
所述的侧边以第一弹性模量材料为主，第二弹性模量材料间隔设置在侧边的内侧和外侧， 其中，单个胞元中，侧边两端的内侧设置有第二弹性模量材料，侧边中间的外侧设置有第二 弹性模量材料，两条相对的侧边的镜像内侧第二弹性模量材料通过横梁相连。
所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，作为优选，设置在侧边外侧的第二弹性模量材 料长度等于设置在侧边端部内侧的第二弹性模量材料的长度。
第二弹性模量材料设置在第一弹性模量材料的内嵌宽度l1为双材料侧边的宽度l0的关系 为0.1≤l1/l0＜1。
作为优选，所述的第一弹性模量材料的弹性模量÷第二弹性模量材料的弹性模量＝10～1011。
作为优选，所述的横梁采用第一弹性模量材料。
所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，相对两条横梁之间的距离为H0，横梁的宽度为 h0，相对两条双材料侧边之间的距离为L0，双材料侧边的宽度为l0，设置在侧边中间外侧的 第二弹性材料的长度为h1，设置在侧边中间外侧的第二弹性材料的内嵌宽度为l1，横梁两端 的第二弹性材料的距离为l，双材料侧边两端的第二弹性材料的距离为h2；
本发明的一种双材料大刚度多孔负泊松比结构部件，为立体结构，该双材料大刚度多孔 负泊松比结构部件由多个双材料大刚度多孔负泊松比胞元经过三维排列组成。
所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元的具体排列方式，优选为，胞元以XZ平面进行 阵列排列；
在X方向上，相邻的胞元共用一条双材料侧边，每个胞元的双材料侧边上的外侧第二弹 性模量材料，由相邻胞元的横梁对称分割，作为两个相邻胞元的双材料侧边的内侧第二弹性 模量材料，从而进行阵列排列；
在Z方向上，相邻的胞元共用一条横梁，进行阵列排列；
在Y方向上，XZ形成的n个二维单层平面进行相互对称堆叠，并且每两个二维单层之 间的间隔以X方向和Z方向的排列方式进行排列胞元，n≥1。
本发明的一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件，相比于现有负泊松比结构， 具有如下优点：
采用ANSYS/APDL参数化建模方法完成对二维双材料大刚度多孔负泊松比结构的设计， 利用有限元分析方法研究了双材料几何尺寸参数h1/h0和l1/l0对结构力学性能的影响，且随着 不同几何参数的组合，结构可实现从正泊松比到负泊松比的调节，最小泊松比值可达到-5.469； 当l1/l0的比值小于0.577时，二维双材料大刚度多孔负泊松结构具有较正六边形蜂窝结构模 型更高的刚度性能；
附图说明
图1为材料单轴拉伸时变形示意图；其中，(a)为传统材料单轴拉伸时变形示意图，(b)为 负泊松比材料单轴拉伸时变形示意图；
图2为本发明实施例1的双材料大刚度负泊松比结构的胞元的几何结构示意图；
图3为本发明的双材料大刚度多孔负泊松比结构部件的二维多胞结构示意图；
图4为有限元分析二维新型双材料大刚度多孔负泊松比结构中，根据两种不同弹性模量 材料的比值(E1/E2)，双材料大刚度多孔负泊松比结构的力学性能曲线；
图5为第二弹性模量材料与第一弹性模量材料的尺寸关系与双材料大刚度多孔负泊松比 结构泊松比的关系曲线；
图6为双材料大刚度多孔负泊松比结构部件的刚度性能，即常量C与第二弹性模量材料 与第一弹性模量材料的尺寸关系图；
图7为本发明实施例2的双材料大刚度多孔负泊松比结构的胞元的几何结构示意图；
图8为本发明实施例1的双材料大刚度多孔负泊松比结构部件的三维立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元，为回形结构，其几何结构示意图见图2，具体包 括两条镜像对称布置的侧边和平行对称的两条横梁，其中，侧边由双材料组成，为双材料侧 边，呈现负泊松比效应；
所述的双材料为两种不同弹性模量材料，其中，第一弹性模量材料的弹性模量和第二弹 性模量材料的弹性模量的比值为1011；
所述的侧边以第一弹性模量材料为主，第二弹性模量材料间隔设置在侧边的内侧和外侧， 其中，单个胞元中，侧边两端的内侧设置有第二弹性模量材料，侧边中间的外侧设置有第二 弹性模量材料，两条相对的侧边的镜像内侧第二弹性模量材料通过横梁相连。
所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，设置在侧边外侧的第二弹性模量材料长度等于 设置在侧边端部内侧的第二弹性模量材料的长度。
第二弹性模量材料设置在第一弹性模量材料的内嵌宽度为双材料侧边的宽度0.1～0.9倍， 以步长0.1进行变化。
所述的横梁采用第一弹性模量材料。
所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，相对两条横梁之间的距离为H0，横梁的宽度为 h0，相对两条双材料侧边之间的距离为L0，双材料侧边的宽度为l0，设置在侧边中间外侧的 第二弹性材料的长度为h1，设置在侧边中间外侧的第二弹性材料的内嵌宽度为l1，横梁两端 的第二弹性材料的距离为l，双材料侧边两端的第二弹性材料的距离为h2；
一种双材料大刚度多孔负泊松比结构部件，为立体结构，其二维多胞结构示意图见图3， 该结构部件由多个双材料大刚度多孔负泊松比胞元经过三维排列组成。
以该双材料大刚度多孔负泊松比结构部件进行三维排列，其三维立体结构示意图见图8。
所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元的具体排列方式，胞元以XZ平面进行阵列排列；
在X方向上，相邻的胞元共用一条双材料侧边，每个胞元的双材料侧边上的外侧第二弹 性模量材料，由相邻胞元的横梁对称分割，作为两个相邻胞元的双材料侧边的内侧第二弹性 模量材料，从而进行阵列排列；
在Z方向上，相邻的胞元共用一条横梁，进行阵列排列；
在Y方向上，XZ形成的n个二维单层平面进行相互对称堆叠，并且每两个二维单层之 间的间隔以X方向和Z方向的排列方式进行排列胞元，n＝1，双材料大刚度多孔负泊松比结 构部件的二维多胞结构示意图见图3。
根据上述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件，进行有限元分析，从而验证 该结构的负泊松比效应，具体包括以下步骤：
步骤1、建立几何模型：
(1)根据双材料大刚度多孔负泊松比胞元的几何结构和尺寸，建立双材料大刚度多孔负泊 松比胞元，其结构几何模型如图2所示；
(2)由建立的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，进行XZ方向上的二维循环排列；
(3)由建立的二维双材料大刚度多孔负泊松比结构，用于在有限元分析软件ANSYS中进 行数值模拟；
其中，以t来表示Y方向的厚度，L0表示胞元结构模型的长度，即为相对两条双材料侧 边之间的距离，H0表示单胞结构模型的宽度，即为相对两条横梁之间的距离，横梁的长度和 高度分别为l和h0，图中，两种不同深度颜色部分代表两种不同弹性模量材料组成的结构， 其中，第二弹性模量材料，即图中深色部分深度尺寸和长度尺寸分别为l1和h1，其中，确定 h1/h0的比值为定值(h1/h0＝2)，研究不同双材料结构尺寸比对结构泊松比的影响时，可将l1/l0的比值作为变量进行分析研究。
其中，设置L0＝H0，H0/h0＝7和L0/l0＝7；l1/l0的比值以0.1为步长从0.1到0.9变化。
具体结构示意图见图3，从图3中，所示平面为x-z平面，厚度方向为y方向。
步骤2、单元类型选择、材料属性及划分网格、施加载荷
(1)选用20节点Solid 186单元类型；
(2)选用两种不同弹性模量材料的材料参数，其中，第一弹性模量材料的弹性模量为1.19 ×1011，第二弹性模量材料的弹性模量为1.19；
(3)对双材料大刚度多孔负泊松比结构二维模型中，X方向上排列布置的胞元中，对布置 在最下方的中间胞元的横梁处施加全约束，限制其全部自由度，且中间胞元的两侧的胞元横 梁约束了Z和Y方向的自由度，对模型Z方向最上方的横梁处施加Z方向最大0.1％的拉伸 应变。
步骤3、有限元结果分析结构力学性能
结果显示，如图4所示，当改变不同的两种材料的弹性模量的比值(其中，E1为第一弹性 模量材料的弹性模量，E2为第二弹性模量材料的弹性模量)时，结果显示，当E1/E2从10～200 进行变化时，双材料大刚度多孔负泊松比结构具有负的泊松比值；
当第一弹性模量材料的弹性模量与第二弹性模量材料的弹性模量比值确定为1011时，研 究得到，不同第二弹性模量材料在第一弹性模量材料嵌入的深度和双材料侧边的宽度比值与 双材料大刚度多孔负泊松比结构二维结构泊松比的关系图，如图5所示，不同第二弹性模量 材料在第一弹性模量材料嵌入的深度和双材料侧边的宽度比值与双材料大刚度多孔负泊松比 结构二维结构刚度性能的关系，如图6所示。
从图5可得，当l1/l0的值由0.1变化至0.9的过程中，结构泊松比值先减小后增大，且当 l1/l0＝0.5时，结构具有最小的负泊松比值；
由图6可得，当l1/l0的比值小于0.2时，随着l1/l0比值的增加，常量C下降较为缓慢， 而当l1/l0的比值从0.2增加至0.8时，常量C的值下降迅速，之后随着l1/l0比值的增加，常量 C的值下降更加缓慢，且越来越接近于0。当l1/l0的比值小于0.58时，这种模型的刚度要高 于正六边形蜂窝结构模型的刚度，即常量C。
同时，由图5的曲线得出结论：l1/l0比值的变化可以导致模型具有很大的负泊松比值的 变化范围；其中，图6中的横虚线表示的是正六边形蜂窝结构的常量C的数值约为1.5。一 个简单的正方形网格状直杆结构可能会具有更高的刚度，但是却不能具有负泊松比效应，而 具有蝴蝶结倒置的六边形蜂窝结构虽然具有负泊松比效应，但是不会具有像正六边形蜂窝结 构一样的刚度。
根据上述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件，进行实验模拟，包括以下步 骤：
步骤1、3D打印模型
根据上述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件，采用Objet30prime3D打印机， 以VeroWhitePlus作为第一弹性模量材料，以Tango Black作为第二弹性模量材料，进行3D 实验室模拟打印，双材料之间采用粘接方式，得到双材料大刚度多孔负泊松比结构部件模型； 模型尺寸为100mm×49mm×1.6mm，在X方向为100mm，Z方向为49mm，Y方向为1.6mm；
步骤2、准静态拉伸试验
对双材料大刚度多孔负泊松比结构部件模型进行准静态拉伸试验：
用Zwick010万能试验机的上下夹头夹住模型的两个实心部分，拉伸速度保持恒定，为拉 伸速度ν＝0.001mm/sec，并利用Zwick010试验机自带的摄像装备，同时地进行拍照记录。 采集模型上标注的两个白点的位移，实验过程中保证每次应变增量为0.1％。
为了减少由于实验仪器与模型试件之间的摩擦导致最后计算结果的不准确性，选择模型 中间部分的位移等进行监测测量，其与有限元模拟部分的尺寸保持一致，因此，有限元分析 过程中的约束载荷等条件与实际真实的实验过程保持了高度的一致，确保了实验结果用来求 解泊松比值的准确性。
在Zwick010万能试验机上进行拉伸试验，且每种模型进行至少5组的重复试验，利用试 验机中的传感器记录下模型上标记点的绝对位移值或相对坐标值计算试件模型的泊松比值以 及平均偏差、标准偏差，并将试验结果与有限元数值模拟的结果进行对照，进行误差计算， 有限元结果与实验结果对比分析
经过，对三种不同尺寸参数试件模型的有限元数值模拟结果与实验结果吻合良好，经计 算误差率均在5％以内，从而证明了有限元分析的准确性。
实施例2
一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元，为回形结构，其结构示意图见图7，具体包括两 条镜像对称布置的侧边和平行对称的两条横梁，其中，侧边由双材料组成，为双材料侧边， 呈现负泊松比效应；
所述的双材料为两种不同弹性模量材料，其中，第一弹性模量材料的弹性模量和第二弹 性模量材料的弹性模量的比值为10；
所述的侧边以第一弹性模量材料和第二弹性模量材料呈现内外侧交替排列，其中，第二 弹性模量材料间隔设置在侧边的内侧和外侧，其中，单个胞元中，侧边两端的内侧设置有第 二弹性模量材料，侧边中间的外侧设置有第二弹性模量材料，两条相对的侧边的镜像内侧第 二弹性模量材料通过横梁相连。
所述的横梁采用第一弹性模量材料。
一种双材料大刚度多孔负泊松比结构部件，为立体结构，该结构部件由多个双材料大刚 度多孔负泊松比胞元经过三维排列组成。
所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元的具体排列方式，胞元以XZ平面进行阵列排列；
在X方向上，相邻的胞元共用一条双材料侧边，每个胞元的双材料侧边上的外侧第二弹 性模量材料，由相邻胞元的横梁对称分割，作为两个相邻胞元的双材料侧边的内侧第二弹性 模量材料，从而进行阵列排列；
在Z方向上，相邻的胞元共用一条横梁，进行阵列排列；
在Y方向上，XZ形成的n个二维单层平面进行相互对称堆叠，并且每两个二维单层之 间的间隔以X方向和Z方向的排列方式进行排列胞元，n＝5。
根据上述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件，进行有限元分析，从而验证 该结构的负泊松比效应。
经过有限元分析验证，本实施例制备的双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件具 有负泊松比效应。
Claims (9)
1.一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元，其特征在于，该双材料大刚度多孔负泊松比胞元为回形结构，包括两条镜像对称布置的侧边和平行对称的两条横梁，其中，侧边由双材料组成，为双材料侧边，呈现负泊松比效应。
2.如权利要求1所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，其特征在于，所述的双材料为两种不同弹性模量材料，其中，第一弹性模量材料的弹性模量和第二弹性模量材料的弹性模量的比值≥10。
3.如权利要求1所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，其特征在于，所述的侧边以第一弹性模量材料为主，第二弹性模量材料间隔设置在侧边的内侧和外侧，其中，单个胞元中，侧边两端的内侧设置有第二弹性模量材料，侧边中间的外侧设置有第二弹性模量材料，两条相对的侧边的镜像内侧第二弹性模量材料通过横梁相连。
4.如权利要求1所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，其特征在于，所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，设置在侧边外侧的第二弹性模量材料长度等于设置在侧边端部内侧的第二弹性模量材料的长度。
5.如权利要求1所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，其特征在于，第二弹性模量材料设置在第一弹性模量材料的内嵌宽度l1为双材料侧边的宽度l0的关系为0.1≤l1/l0＜1。
6.如权利要求1所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，其特征在于，所述的横梁采用第一弹性模量材料。
7.如权利要求1所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，其特征在于，所述的第一弹性模量材料的弹性模量÷第二弹性模量材料的弹性模量＝10～1011。
8.一种双材料大刚度多孔负泊松比结构部件，为立体结构，其特征在于，该双材料大刚度多孔负泊松比结构部件，由多个权利要求1～7任意一项所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，经过三维排列组成。
9.如权利要求8所述的双材料大刚度多孔负泊松比结构部件，其特征在于，所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元的具体排列方式为，双材料大刚度多孔负泊松比胞元以XZ平面进行阵列排列；
在X方向上，相邻的胞元共用一条双材料侧边，每个胞元的双材料侧边上的外侧第二弹性模量材料，由相邻胞元的横梁对称分割，作为两个相邻胞元的双材料侧边的内侧第二弹性模量材料，从而进行阵列排列；
在Z方向上，相邻的胞元共用一条横梁，进行阵列排列；
在Y方向上，XZ形成的n个二维单层平面进行相互对称堆叠，并且每两个二维单层之间的间隔以X方向和Z方向的排列方式进行排列胞元，n≥1。
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