CN108394135B - 一种具有三维负泊松比的多孔材料结构 - Google Patents

一种具有三维负泊松比的多孔材料结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有三维负泊松比的多孔材料结构，包括沿Z轴方向依次平行层叠设置的多层网状结构，相邻上下两层网状结构之间通过支撑韧带连接；其中，每层网状结构均沿XOY平面延展。本发明提供的一种具有三维负泊松比的多孔材料结构在变形时消除了其XOY平面二维子结构的拉剪耦合效应，使此三维结构本构关系通常情况下为正交各向异性，便于设计分析。通过调节几何尺寸，本结构不仅可以实现各向同性，而且其三个方向的负泊松比数值都具有很大的变化范围，增加了实际应用的选择余地。

Description

一种具有三维负泊松比的多孔材料结构
技术领域
本发明涉及多孔材料结构领域，具体涉及一种具有三维负泊松比的多孔材料结构。
背景技术
负泊松比材料又称拉胀材料，是指单向拉伸(或压缩)时，垂直于加载方向会出现膨胀(或收缩)变形的材料。负泊松比材料由于具有不同于普通材料的独特性质，在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势，尤其是材料的物理机械性能有了很大的提高，如可以提高材料的剪切模量、抗断裂性能、压痕阻力，同时负泊松比材料也可实现十分优秀的吸声性能、抗冲击性能。
然而，现有的三维负泊松比材料的种类有限，制造工艺难度大，工程应用选择余地小，因此设计出新型的三维负泊松比材料，具有重要的理论和应用意义。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种具有三维负泊松比的多孔材料结构，其采用简单的结构实现了负泊松比特性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有三维负泊松比的多孔材料结构，包括沿Z轴方向依次平行层叠设置的多层网状结构，相邻上下两层网状结构之间通过支撑韧带连接；其中，每层网状结构均沿XOY平面延展；
所述网状结构包括多个支撑单元和连接于多个支撑单元之间的连接韧带；在每层网状结构中，所有支撑单元在XOY平面上均匀分布地排列成正N边形网状拓扑结构，各支撑单元的形心位于网状拓扑结构的结点处，每个支撑单元的四周通过M条连接韧带分别连接到与其距离最近的M个支撑单元，每个支撑单元上的M条连接韧带关于该支撑单元的形心旋转对称；
连接于两支撑单元之间的连接韧带与所述两支撑单元的形心连线之间具有一不为0°的夹角；
所述沿Z轴方向依次平行层叠设置的多层网状结构中，每相邻两层网状结构互为翻转关系；
在Z轴方向上每相邻两个支撑单元的形心沿Z轴对齐，且两者的端面通过M条支撑韧带互相连接，所述M条支撑韧带与各支撑单元的连接点分别位于支撑单元与M条连接韧带的连接点处；位于同一连接点处的支撑韧带和连接韧带的夹角为锐角；Z轴方向上每相邻两个支撑单元上的M条支撑韧带关于其所连接的两个支撑单元的形心连线旋转对称。
进一步地，所述支撑单元呈圆环状，支撑单元上的连接韧带沿周向均匀分布。
进一步地，所述支撑单元呈正M边形，支撑单元上的连接韧带和支撑韧带连接于支撑单元的顶点处。
进一步地，所述支撑单元呈圆环状；在每层网状结构中，所有支撑单元的形心在XOY平面上均匀分布地排列成正四边形网状拓扑结构，即支撑单元沿X轴和Y轴排列成正方形阵列，在X轴和Y轴方向上每相邻两个支撑单元的间距相等，使得每四个相邻支撑单元的形心均围成一个正方形；
每个支撑单元的四周沿周向均匀分布有四条连接韧带，每个支撑单元通过四条连接韧带分别连接到在X轴和Y轴上与其相邻的其他四个支撑单元上。
进一步地，所述支撑单元呈正方形框状；在每层网状结构中，所有支撑单元的形心在XOY平面上均匀分布地排列成正四边形网状拓扑结构，即支撑单元沿X轴和Y轴排列成正方形阵列，在X轴和Y轴方向上每相邻两个支撑单元的间距相等，使得每四个相邻支撑单元的形心均围成一个正方形；
每个支撑单元的四个顶点处分别连接有四条连接韧带，每个支撑单元通过四条连接韧带分别连接到在X轴和Y轴上与其相邻的其他四个支撑单元上。
进一步地，所述支撑单元呈圆环状；在每层网状结构中，所有支撑单元的形心在XOY平面上均匀分布地排列成正三角形网状拓扑结构，即在XOY平面上每相邻三个支撑单元的间距相等，使得每三个相邻支撑单元的形心均围成一个正三角形；
每个支撑单元的四周沿周向均匀分布有六条连接韧带，每个支撑单元通过六条连接韧带分别连接到在XOY平面与其相邻的其他六个支撑单元上。
进一步地，所述支撑单元呈圆环状；在每层网状结构中，所有支撑单元的形心在XOY平面上均匀分布地排列成正六边形网状拓扑结构阵列，即在XOY平面上每六个支撑单元的形心围成一正六边形，各支撑单元的形心分别位于正六边形的顶点处，使得支撑单元在XOY平面上的分布呈蜂窝状；
每个支撑单元的四周沿周向均匀分布有三条连接韧带，每个支撑单元通过三条连接韧带分别连接到在XOY平面与其相邻的其他三个支撑单元上。
进一步地，所述支撑单元、支撑韧带和连接韧带一体成型制成。
进一步地，所述沿Z轴方向依次平行层叠设置的多层网状结构之间的间距相等。
本发明提供的一种具有三维负泊松比的多孔材料结构在变形时消除了其XOY平面二维子结构的拉剪耦合效应，使此三维结构本构关系通常情况下为正交各向异性，便于设计分析。通过调节几何尺寸，本结构不仅可以实现各向同性，而且其三个方向的负泊松比数值都具有很大的变化范围，增加了实际应用的选择余地。
附图说明
图1为本发明实施例一的平面结构示意图。
图2为本发明实施例一的立体结构示意图。
图3为本发明实施例一的替代方案平面结构示意图。
图4为本发明实施例一的替代方案立体结构示意图。
图5为本发明实施例二的立体结构示意图。
图6为本发明实施例三的立体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
首先介绍本发明技术方案的基本结构和工作原理：
本发明提供了一种具有三维负泊松比的多孔材料结构，其包括沿Z轴方向依次等间距平行层叠设置的多层网状结构，相邻上下两层网状结构之间通过支撑韧带连接；其中，每层网状结构均沿XOY平面延展；
所述网状结构包括多个支撑单元和连接于多个支撑单元之间的连接韧带；在每层网状结构中，所有支撑单元在XOY平面上均匀分布地排列成正N边形网状拓扑结构，各支撑单元的形心位于网状拓扑结构的结点处，每个支撑单元的四周通过M条连接韧带分别连接到与其距离最近的M个支撑单元，每个支撑单元上的M条连接韧带关于该支撑单元的形心旋转对称；
连接于两支撑单元之间的连接韧带与所述两支撑单元的形心连线之间具有一不为0°的夹角，使得连接韧带的延长线不经过与其相连的两个支撑单元的形心；
所述沿Z轴方向依次平行层叠设置的多层网状结构中，每相邻两层网状结构互为翻转关系；即，将上层网络结构绕X轴或Y轴旋转180°后，就变成了下层网络结构的排列方式，依此类推。
在Z轴方向上每相邻两个支撑单元的形心沿Z轴对齐，且两者的端面通过M条支撑韧带互相连接，所述M条支撑韧带与各支撑单元的连接点分别位于支撑单元与M条连接韧带的连接点处；位于同一连接点处的支撑韧带和连接韧带的夹角为锐角；Z轴方向上每相邻两个支撑单元上的M条支撑韧带关于其所连接的两个支撑单元的形心连线旋转对称。
进一步地，所述支撑单元、支撑韧带和连接韧带一体成型制成。
其中，每个支撑单元上连接的韧带和支撑韧带的条数M，在进行网状结构的分布时，根据N的数字即可得出。
比如，当网状结构中的支撑单元均匀分布地排列成正四边形网状拓扑结构时，每个支撑单元都必然具有四个与其距离最近的其他支撑单元，那么，当N＝4时，M＝4；
当网状结构中的支撑单元均匀分布地排列成正三角形网状拓扑结构时，每个支撑单元都必然具有六个与其距离最近的其他支撑单元，那么，当N＝3时，M＝6；
当网状结构中的支撑单元均匀分布地排列成正六边形网状拓扑结构时，每个支撑单元都必然具有三个与其距离最近的其他支撑单元，那么，当N＝6时，M＝3。
下面将针对上面三种情况，分别提供具体的实施例以对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例一
如图1所示，本实施例提供的一种具有三维负泊松比的多孔材料结构中，所述支撑单元呈圆环状；在每层网状结构中，所有支撑单元的形心在XOY平面上均匀分布地排列成正四边形网状拓扑结构，各支撑单元的形心位于网状拓扑结构的结点处。即支撑单元沿X轴和Y轴排列成正方形阵列，在X轴和Y轴方向上每相邻两个支撑单元的间距相等，使得每四个相邻支撑单元的形心均围成一个正方形。
每个支撑单元的四周沿周向均匀分布有四条连接韧带，每个支撑单元通过四条连接韧带分别连接到在X轴和Y轴上与其相邻的其他四个支撑单元上。每个支撑单元上的四条连接韧带关于该支撑单元的形心旋转对称；即任意一条连接韧带的几何位置通过在XOY平面上绕支撑单元的形心旋转90°、180°、270°后分别达到其它三条韧带的几何位置。
所述连接韧带与X轴之间具有一不为0°的夹角，使得连接韧带的延长线不经过与其相连的两个支撑单元的形心，所述连接韧带可以与支撑单元相切也可以不相切。
所述沿Z轴方向依次平行层叠设置的多层网状结构中，每相邻两层网状结构互为翻转关系；即，将上层网络结构绕X轴或Y轴旋转180°后，就变成了下层网络结构的排列方式，依此类推。
在Z轴方向上每相邻两个支撑单元的形心沿Z轴对齐，且两者的端面通过四条支撑韧带互相连接，所述四条支撑韧带与各支撑单元的连接点分别位于支撑单元与四条连接韧带的连接点处；位于同一连接点处的支撑韧带和连接韧带的夹角为锐角。Z轴方向上每相邻两个支撑单元上的四条支撑韧带关于其所连接的两个支撑单元的形心连线旋转对称；即任意一条支撑韧带的几何位置通过绕两支撑单元的形心连线旋转90°、180°、270°后可分别达到其它三条支撑韧带的几何位置。
本发明实施例提供的一种具有三维负泊松比的多孔材料结构中，当结构在承受面内单向拉伸(或压缩)时，结构的支撑单元发生转动使相连的连接韧带展开(或收拢)，从而在平面内产生负泊松比效应。进一步地，在沿X轴或Y轴方向单向拉伸(或压缩)时，相邻两层网状结构间的支撑单元会产生相反方向的转动，并带动支撑韧带扭转，使支撑韧带的倾角减小(或增大)，从而将两端的支撑单元推远(或拉近)，这样就产生了三维拉胀效应；在沿Z轴方向单向拉伸(或压缩)时，支撑韧带的倾角减小(或增大)，并带动两侧支撑单元产生相反方向的转动，同样会产生三维拉胀效应。
本实施例中，圆环状的支撑单元还可以替换成该圆环的内接正四边形，具体如图3和图4所示，由于其他各技术特征与本实施例相同，故在此不再赘述。
实施例二
如图5所示，本实施例提供的一种具有三维负泊松比的多孔材料结构中，所述支撑单元呈圆环状；在每层网状结构中，所有支撑单元的形心在XOY平面上均匀分布地排列成正三角形网状拓扑结构，即在XOY平面上每相邻三个支撑单元的间距相等，使得每三个相邻支撑单元的形心均围成一个正三角形。
每个支撑单元的四周沿周向均匀分布有六条连接韧带，每个支撑单元通过六条连接韧带分别连接到在XOY平面与其相邻的其他六个支撑单元上。每个支撑单元上的六条连接韧带关于该支撑单元的形心旋转对称；即任意一条连接韧带的几何位置通过在XOY平面上绕支撑单元的形心旋转60°、120°、180°、240°、300°后分别达到其它五条韧带的几何位置。
所述连接韧带与X轴之间具有一不为0°的夹角，使得连接韧带的延长线不经过与其相连的两个支撑单元的形心，所述连接韧带可以与支撑单元相切也可以不相切。
所述沿Z轴方向依次平行层叠设置的多层网状结构中，每相邻两层网状结构互为翻转关系；即，将上层网络结构绕X轴或Y轴旋转180°后，就变成了下层网络结构的排列方式，依此类推。
在Z轴方向上每相邻两个支撑单元的形心沿Z轴对齐，且两者的端面通过六条支撑韧带互相连接，所述六条支撑韧带与各支撑单元的连接点分别位于支撑单元与六条连接韧带的连接点处；位于同一连接点处的支撑韧带和连接韧带的夹角为锐角。Z轴方向上每相邻两个支撑单元上的六条支撑韧带关于其所连接的两个支撑单元的形心连线旋转对称；即任意一条支撑韧带的几何位置通过绕两支撑单元的形心连线旋转60°、120°、180°、240°、300°后可分别达到其它五条支撑韧带的几何位置。
实施例三
如图6所示，本发明提供的一种具有三维负泊松比的多孔材料结构中，所述支撑单元呈圆环状；在每层网状结构中，所有支撑单元的形心在XOY平面上均匀分布地排列成正六边形网状拓扑结构阵列，即在XOY平面上每六个支撑单元的形心围成一正六边形，各支撑单元的形心分别位于正六边形的顶点处，使得支撑单元在XOY平面上的分布呈蜂窝状；
每个支撑单元的四周沿周向均匀分布有三条连接韧带，每个支撑单元通过三条连接韧带分别连接到在XOY平面与其相邻的其他三个支撑单元上。每个支撑单元上的三条连接韧带关于该支撑单元的形心旋转对称；即任意一条连接韧带的几何位置通过在XOY平面上绕支撑单元的形心旋转120°、240°后分别达到其它两条韧带的几何位置。
所述连接韧带与X轴之间具有一不为0°的夹角，使得连接韧带的延长线不经过与其相连的两个支撑单元的形心，所述连接韧带可以与支撑单元相切也可以不相切。
所述沿Z轴方向依次平行层叠设置的多层网状结构中，每相邻两层网状结构互为翻转关系；即，将上层网络结构绕X轴或Y轴旋转180°后，就变成了下层网络结构的排列方式，依此类推。
在Z轴方向上每相邻两个支撑单元的形心沿Z轴对齐，且两者的端面通过三条支撑韧带互相连接，所述三条支撑韧带与各支撑单元的连接点分别位于支撑单元与三条连接韧带的连接点处；位于同一连接点处的支撑韧带和连接韧带的夹角为锐角。Z轴方向上每相邻两个支撑单元上的三条支撑韧带关于其所连接的两个支撑单元的形心连线旋转对称；即任意一条支撑韧带的几何位置通过绕两支撑单元的形心连线旋转120°、240°后可分别达到其它两条支撑韧带的几何位置。
在实施例二和实施例三中，圆环状的支撑单元可分别替换成正三角形和正六边形，支撑单元上的连接韧带和支撑韧带连接于支撑单元的顶点处。由于其他各技术特征分别与对应实施例相同，故在此不再赘述。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种具有三维负泊松比的多孔材料结构，其特征在于，包括沿Z轴方向依次平行层叠设置的多层网状结构，相邻上下两层网状结构之间通过支撑韧带连接；其中，每层网状结构均沿XOY平面延展；
所述网状结构包括多个支撑单元和连接于多个支撑单元之间的连接韧带；在每层网状结构中，所有支撑单元在XOY平面上均匀分布地排列成正N边形网状拓扑结构，各支撑单元的形心位于网状拓扑结构的结点处，每个支撑单元的四周通过M条连接韧带分别连接到与其距离最近的M个支撑单元，每个支撑单元上的M条连接韧带关于该支撑单元的形心旋转对称；
连接于两支撑单元之间的连接韧带与所述两支撑单元的形心连线之间具有一不为0°的夹角；
所述沿Z轴方向依次平行层叠设置的多层网状结构中，每相邻两层网状结构互为翻转关系；
在Z轴方向上每相邻两个支撑单元的形心沿Z轴对齐，且两者的端面通过M条支撑韧带互相连接，所述M条支撑韧带与各支撑单元的连接点分别位于支撑单元与M条连接韧带的连接点处；位于同一连接点处的支撑韧带和连接韧带的夹角为锐角；Z轴方向上每相邻两个支撑单元上的M条支撑韧带关于其所连接的两个支撑单元的形心连线旋转对称。
2.根据权利要求1所述的具有三维负泊松比的多孔材料结构，其特征在于，所述支撑单元呈圆环状，支撑单元上的连接韧带沿周向均匀分布。
3.根据权利要求1所述的具有三维负泊松比的多孔材料结构，其特征在于，所述支撑单元呈正M边形，支撑单元上的连接韧带和支撑韧带连接于支撑单元的顶点处。
4.根据权利要求1所述的具有三维负泊松比的多孔材料结构，其特征在于，所述支撑单元呈圆环状；在每层网状结构中，所有支撑单元的形心在XOY平面上均匀分布地排列成正四边形网状拓扑结构，即支撑单元沿X轴和Y轴排列成正方形阵列，在X轴和Y轴方向上每相邻两个支撑单元的间距相等，使得每四个相邻支撑单元的形心均围成一个正方形；
每个支撑单元的四周沿周向均匀分布有四条连接韧带，每个支撑单元通过四条连接韧带分别连接到在X轴和Y轴上与其相邻的其他四个支撑单元上。
5.根据权利要求1所述的具有三维负泊松比的多孔材料结构，其特征在于，所述支撑单元呈正方形框状；在每层网状结构中，所有支撑单元的形心在XOY平面上均匀分布地排列成正四边形网状拓扑结构，即支撑单元沿X轴和Y轴排列成正方形阵列，在X轴和Y轴方向上每相邻两个支撑单元的间距相等，使得每四个相邻支撑单元的形心均围成一个正方形；
每个支撑单元的四个顶点处分别连接有四条连接韧带，每个支撑单元通过四条连接韧带分别连接到在X轴和Y轴上与其相邻的其他四个支撑单元上。
6.根据权利要求1所述的具有三维负泊松比的多孔材料结构，其特征在于，所述支撑单元呈圆环状；在每层网状结构中，所有支撑单元的形心在XOY平面上均匀分布地排列成正三角形网状拓扑结构，即在XOY平面上每相邻三个支撑单元的间距相等，使得每三个相邻支撑单元的形心均围成一个正三角形；
每个支撑单元的四周沿周向均匀分布有六条连接韧带，每个支撑单元通过六条连接韧带分别连接到在XOY平面与其相邻的其他六个支撑单元上。
7.根据权利要求1所述的具有三维负泊松比的多孔材料结构，其特征在于，所述支撑单元呈圆环状；在每层网状结构中，所有支撑单元的形心在XOY平面上均匀分布地排列成正六边形网状拓扑结构阵列，即在XOY平面上每六个支撑单元的形心围成一正六边形，各支撑单元的形心分别位于正六边形的顶点处，使得支撑单元在XOY平面上的分布呈蜂窝状；
每个支撑单元的四周沿周向均匀分布有三条连接韧带，每个支撑单元通过三条连接韧带分别连接到在XOY平面与其相邻的其他三个支撑单元上。
8.根据权利要求1所述的具有三维负泊松比的多孔材料结构，其特征在于，所述支撑单元、支撑韧带和连接韧带一体成型制成。
9.根据权利要求1所述的具有三维负泊松比的多孔材料结构，其特征在于，所述沿Z轴方向依次平行层叠设置的多层网状结构之间的间距相等。
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