CN108472913A - 具有用于自定义npr特性的工程化图案的浅凹与空隙混合的拉胀结构 - Google Patents
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Abstract
公开了拉胀结构、低孔隙率拉胀片、具有拉胀结构的系统和装置以及使用拉胀结构的方法和制备拉胀结构的方法。公开了包括弹性刚体的拉胀结构，所述弹性刚体具有延伸穿过所述弹性刚体的多个孔和从所述弹性刚体突出的多个突起物。所述孔和所述突起物被排布成例如行和列的阵列的工程化图案。所述孔与所述突起物协同配置以提供预定孔隙率，同时在宏观平面载荷条件下通过负泊松比(NPR)特性表现出应力降低。在一些实施方案中，将为椭圆形或半球形浅凹的所述突起物与为S形通槽或圆形钻孔的所述孔一起插入方形或六边形图案中。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年2月20日提交的第62/118,823号美国临时专利申请和2015年1月9日提交的第62/101,834号美国临时专利申请的优先权，所述两篇临时专利申请通过引用各自以整体并入本文。
技术领域
本公开通常涉及具有调整的各向同性和各向异性泊松比的多孔材料和蜂窝(cellular)固体。更具体地，本公开的方面涉及表现出负泊松比(NPR)特性的具有工程化图案的拉胀结构、以及使用该结构的系统、方法和装置。
背景
当沿特定轴压缩材料时，最常观察到该材料在与所施加轴向载荷成横向的方向上延展。相反地，当沿着与收缩轴成横向的轴施加拉伸载荷时，大部分材料沿着特定的轴收缩。表征这种特性的材料性质称为泊松比，其可以定义为在轴向载荷条件下横向/侧向应变与轴向/纵向应变的负的比例。多数材料的特征在于正泊松比，其对于橡胶而言大约为0.5，对于铝、黄铜和钢而言大约为0.3，并且对于玻璃而言大约为0.2。
在另一方面，当在轴向压缩(或拉伸)时，具有负泊松比的材料会在横向收缩(或延展)。表现出负泊松比特性的材料通常被称为“拉胀”材料。许多调查结果表明，拉胀特性涉及材料的微观结构与其形变之间的相互作用。通过以下发现提供了这种实例：具有立方晶格的金属、天然层状陶瓷、铁电多晶陶瓷和沸石均可以表现出负泊松比特性。此外，已提出几种几何结构和机制以实现负的泊松比值，包括具有内凹(reentrant)结构的泡沫、分级层压制品、聚合物泡沫和金属泡沫。还使用由软光刻装配的复合材料在微米级证实了负泊松比效果，并且使用碳纳米管的片组件在纳米级证实了负泊松比效果。
在装配拉胀材料中的显著挑战是该材料通常涉及在主体基质内具有缠结几何结构的嵌入结构。因此，制造方法在朝向应用的实际开发中遇到了瓶颈。许多拉胀材料的基础结构是蜂窝固体结构。关于这些材料的形变的研究是相对成熟的领域，主要强调了在压缩载荷下屈曲现象对载荷承载力和能量吸收的作用。最近，实验和数值研究的综合结果证实，2D周期性多孔结构中的机械不稳定性可以引起原始几何结构的急剧转变。具体地，发现弹性基质中圆形孔洞的方形阵列的单轴载荷导致在该阵列处于载荷时产生交替相互正交的椭圆形图案。这是由于高于所施加应变的临界值的弹性不稳定性引起的。在不稳定性下观测到的几何重组是可逆和可重复的，并且这在窄范围的施加载荷中发生。此外，示出了图案转变引起2D结构的单向负泊松比特性，即，这仅在压缩下发生。
第5,233,828号美国专利(“‘828专利”)示出了工程化空隙结构的实例，即用于高温应用的燃烧器衬套或“隔热屏”。燃烧器衬套通常用于燃气轮机的燃烧部分。燃烧器衬套也可以用于燃气轮机的排气部分或者其他部分或组件，例如涡轮叶片。在运行中，燃烧器在极高的温度下(例如约3,000°F或更高)燃烧气体。为了防止这种剧热在排至涡轮之前损坏燃烧器，将燃烧器衬套提供在燃烧器的内部以隔离周围的发动机。为了使横跨燃烧器衬套的温度差和压力差最小化，通常提供冷却特征，如‘828专利中所示，以连续图案布置的间隔冷却孔洞的形式。作为另一实例，第8,066,482B2号美国专利示出了具有椭圆形冷却孔洞的工程化结构构件以加强燃气轮机的期望区域的冷却，同时降低冷却孔洞内和周围的应力水平。第EP0971172A1号欧洲专利也示出了用于燃气轮机的燃烧区的穿孔衬套的另一实例。然而，所有上述专利文件均未提供公开作为表现出拉胀特性或设计成提供NPR效果的实例。
第2010/0009120A1号美国专利申请出版物公开了多种变化的周期性结构，其包括在施加临界宏观应力或应变时经历结构构型转变的弹性或弹塑性周期性固体。所述转变改变几何图案，改变了变化周期性结构中的特征的间隔和形状。一旦去除临界宏观应力或应变，这些弹性周期性固体恢复它们的原始形式。相比较而言，第2011/0059291A1号美国专利申请出版物公开了结构化多孔材料，其中该多孔结构提供了调整的泊松比特性。这些多孔结构由弹性片中椭圆形或类椭圆形空隙的图案构成，所述弹性片经由空隙的变形力学和材料的变形力学进行调整，以提供负泊松比或零泊松比。所有上述专利文件各自以整体并出于所有目的通过引用并入本文。
发明概述
本公开的方面涉及具有用于提供自定义负泊松比(NPR)特性的工程化图案的浅凹与空隙混合的拉胀结构。作为实例，用精心设计的空隙例如椭圆形、杠铃形或S形通槽以及精心设计的凸起的突起物或内凹的突起物装配刚性而非弹性材料的片。将这些空隙和突起物排布成以下图案：其被设计成在片的平面中在位移载荷条件下降低应力。例如通过单元旋转实现应力降低，并且因此，给予片NPR特性。可以通过调整各种拓扑参数来优化最低应力的空隙形状。由于许多形状参数还影响整体结构的孔隙率，因此任何应力优化的图案将具有与此有关的固定的孔隙率。
通常，当在位移载荷条件下针对最低应力进行优化时，图案化拉胀结构可以趋向于高于典型目标的孔隙率，例如，对于燃气轮机的燃烧组件。这些目标通常为0.3％至5.0％，在某些情况下达到9.0％，并且对实现涡轮排放目标至关重要。如果通过在优化方法中应用相关约束而将在此范围的孔隙率赋予拉胀结构，则利用添加用于与空隙图案化拉胀特征(例如，狭槽)结合以形成混合拉胀的无孔拉胀特征(例如，浅凹)来实现应力降低。与现有技术相比，这种混合结构可以实现特定的孔隙率值，以提供相当的NPR特性，同时仍实现应力降低，所述特定的孔隙率值远低于由仅利用空隙的拉胀结构实现的孔隙率值。混合拉胀结构的一个实例利用具有相同纵横比并排布成方形图案的椭圆形浅凹和S形通槽的组合。
根据本公开的一些方面，公开了各种拉胀结构。在一个实例中，拉胀结构包括弹性刚体，例如金属片或其他足够弹性的固体材料，并且具有延伸穿过弹性刚体的多个孔和从弹性刚体突出的多个突起物。将孔排布成第一阵列的行和列，而将突起物排布成第二阵列的行和列。将孔与多个突起物协同配置以提供预定的孔隙率，同时在宏观平面载荷条件下通过负泊松比(NPR)特性表现出应力降低，例如，通过此类NPR结构的蜂窝旋转和应力降低特性。对于一些配置，将为椭圆形浅凹或半球形浅凹的突起物与为S形通槽或圆形钻孔的孔一起插入方形或六边形图案中。
根据本公开的其他方面，公开了低孔隙率的拉胀片结构。在一个实例中，提出了低孔隙率的拉胀片结构，其包括具有延伸穿过金属片的多个空隙和从金属片突出的多个浅凹的金属片。具有第一组几何特性例如宽度、半径、纵横比和/或曲率的空隙被排布成第一图案。具有第二组几何特性例如纵横比和/或深度的浅凹被排布成第二图案。将空隙的几何特性和图案与浅凹的几何特性和图案协同配置以提供预定的孔隙率，同时在宏观平面载荷条件下通过负泊松比(NPR)特性表现出应力降低。
本公开的其他方面涉及制造拉胀结构的方法和使用拉胀结构的方法。在一个实例中，提出了用于制造拉胀结构的方法。所述方法包括：提供弹性刚体；向所述弹性刚体添加延伸穿过所述弹性刚体的多个孔，将所述多个孔排布成第一阵列的行和列；并且向所述弹性刚体添加从所述弹性刚体突出的多个突起物，将所述多个突起物排布成第二阵列的行和列，其中将所述多个孔与所述多个突起物协同配置以提供预定的孔隙率，同时在宏观平面载荷条件下通过负泊松比(NPR)特性表现出应力降低。弹性刚体可以采取各种形式，例如金属片或其他足够弹性的固体材料。对于一些配置，将为椭圆形浅凹或半球形浅凹的突起物与为S形通槽或圆形钻孔的孔插入方形或六边形图案中。
根据本公开的其他方面，提出了装配拉胀结构的方法。该方法包括：接收用于拉胀结构的预定设计需求的设计值；由接收的设计值确定拉胀结构的所需组件孔隙率和/或刚度；确定拉胀结构的最大容许应力值；至少部分基于最大容许应力值和所需组件孔隙率/刚度来确定拉胀结构的多个狭槽的狭槽设计参数；至少部分基于最大容许应力值和所需组件孔隙率/刚度来确定拉胀结构的多个浅凹的浅凹设计参数；至少部分基于最大容许应力值和所需组件孔隙率/刚度来确定狭槽和浅凹的单位单元排布；以及根据确定的狭槽设计参数、确定的浅凹设计参数和确定的单位单元排布向弹性刚体添加多个狭槽和浅凹。
以上发明概述并非旨在表示本公开的各个实施方案或各个方面。而是，上述发明概述仅提供了本文阐述的一些新颖方面和特征的示例。当结合附图和所附权利要求时，从以下用于实施本公开的典型实施方案和模式的详述中，本公开的以上特征和优点以及其他特征和优点是易于显而易见的，所述特征和优点被认为单独和以任意组合都具有创造性。
附图简述
图1是标称应变与泊松比的图，例示了根据本公开的方面具有细长通孔的代表性结构的泊松比特性。
图2A至图2C是图1中对应于图中特定数据点的代表性结构的示例。
图3和图4是根据本公开的方面利用椭圆形突起物和S形通槽的代表性浅凹与空隙混合的拉胀结构的平面图。
图5至图7是根据本公开的方面利用半球形突起物和S形通槽的代表性浅凹与空隙混合的拉胀结构的平面图。
图8和图9是根据本公开的方面利用半球形突起物和圆形孔槽的代表性浅凹与空隙混合的拉胀结构的平面图。
图10是描述用于装配根据本公开构思的方面的拉胀结构的算法或工作流程图的流程图。
本公开容许各种修改和替代形式，并且例如已在附图中示出一些代表性实施方案，并且将在本文详细描述。然而，应理解，本公开的发明方面不限于附图中例示的具体形式。而是，本公开涵盖落入由所附权利要求限定的发明主旨和范围内的所有修改、等同物、组合和子组合以及替代方案。
例示实施方案的详述
本公开容许各种不同形式的实施方案。在附图中示出并且将在本文中详细描述代表性实施方案，应理解，本公开被视为本公开的原理的示例，并且不旨在将本公开的广义方面限于所示的实施方案。在这种情况下，例如在摘要、概述和详述部分中公开但未在权利要求中明确阐述的要素和限制不应通过暗示、推断或以其他方式单独或共同地并入权利要求中。为了本详述的目的，除非明确否定或在逻辑上禁止：单数包括复数，反之亦然；并且词语“包括”或“包含”或“具有”意指“包括但不限于”。此外，近似的词语，例如“约”、“几乎”、“基本上”、“大约”等，可以以例如“在、接近、或近似于”或“在...的3％至5％内”或“在可接受的制造公差内”或它们的任何合理组合的含义用于本文。
本公开的方面涉及浅凹与空隙混合的拉胀结构，其包括当宏观载荷时提供负泊松比(NPR)特性的重复的孔和突起物图案。泊松比(或“泊松系数”)通常可以表示在拉伸对象中横向收缩应变与纵向延伸应变的比例。大部分材料的泊松比通常为正，包括许多合金、聚合物、聚合物泡沫和蜂窝固体，当拉伸时它们的横截面变的较薄。本文公开的拉胀结构表现出负泊松比特性。
根据本公开构思的方面，当沿着一个轴(例如，在Y方向)压缩拉胀结构时，由于相邻的孔的排布方式，同轴应变产生围绕每个单元的中心的力矩。进而，这引起单元旋转。每个单元以与其直接相邻单元的方向相反的方向旋转。这种旋转导致水平相邻单元之间的横轴(X方向)距离减小。也就是说，在Y方向压缩结构引起其在X方向收缩。相反，在Y方向的拉力导致在X方向延展。在整个结构的尺度上，这模拟了拉胀材料的特性。但是本文公开的许多结构由常规材料组成。因此，未掺杂材料自身可以具有正泊松比，但是通过引入本文公开的孔与突起物图案来修改结构，则该结构表现为具有负泊松比。
图1是泊松比(PR)对标称应变的图，例示出图2A至图2C中示出的三种代表性空隙结构的泊松比特性。图1的图表示出了在载荷下各个试验片的泊松比。在某一水平的形变时，可以针对表示形变水平的参数(例如，标称应变)确定并标绘“瞬时”PR。当设计者对于预期的应用具有期望的NPR时，可以确定对应于所期望的PR的形变水平并且可以确定在此条件下的孔洞的几何结构。然后可以在无应力部分上加工(制造)该孔洞形状图案以实现具有期望的PR的组件。
如图2B和图2C所示，NPR孔图案可以由如椭圆形通槽所示的水平和垂直定向的细长的孔洞(也称为“孔”或“空隙”或“狭槽”)组成。这些细长的孔洞按以下方式排布在水平线和垂直线上(例如，图2B中方形阵列的行和列)：垂直线为等间隔开并且在两维度中水平线等间隔开(即Δx＝Δy)。各个狭槽的中心在两条线的交叉点上。水平定向和垂直定向的狭槽在垂直线和水平线上交替，使得任何垂直定向的狭槽被水平定向的狭槽包围(反之亦然)，同时下一个垂直定向狭槽出现在两个对角线上。这些空隙还可以用作冷却孔和/或阻尼孔洞，并且由于它们的排布，还可以用作应力降低特征。如本文所讨论，示于图2B和图2C中的一个或多个狭槽可以被相似形状的浅凹(本文中还可以称为“突起物”或“突出物”)替代。
还公开燃气轮机燃烧器，其由具有本文公开的任何特定拉胀结构配置的材料的壁制成。在一些实施方案中，直接在金属体中以无应力状态产生孔和突起物形状，使得孔在形状上与在外部载荷下橡胶中发现的坍塌空隙形状相同，以便在制造中无金属结构坍塌的情况下在金属体中得到NPR特性。可以使用各种制造途径以重复金属组件中的空隙图案。制造不一定含有挫曲作为方法步骤之一。本文公开的拉胀结构不限于燃烧器壁；而是，可以将这些特征并入涡轮机的其他部分(例如，叶片、刀片等)。
在常规的燃烧器壁中，用于冷却空气流和阻尼的孔还用作应力集中体。在一些公开实施方案中，当将热点处的壁材料例如在垂直方向上挤压在其周围材料上时，负泊松比将使壁材料在水平方向上收缩，反之亦然。这种特性会显著降低热点处的应力。这种作用比仅降低刚度的影响更强。热点处的应力降低例如50％，这进而导致应力疲劳寿命增加几个数量级。由NPR特性引起的应力降低不会增加燃烧器壁的空气损耗。如此，可以使用更长的寿命或者可以用较便宜的材料替代壁材料，以降低原材料成本。
还已经证明用2％至3％的细长/椭圆形空气通道的一部分替代圆形燃烧器冷却孔洞将热机械应力降低至少五倍，同时维持冷却和阻尼性能。例如，已预期燃烧器中的椭圆形冷却孔洞导致最差主应力下降五倍。因此，引起NPR特性，向燃烧器的冷却孔洞添加了其他功能，因为与传统的冷却孔洞相比，NPR特性在最差主应力中产生了五倍降低。在燃烧器特定超合金的应力疲劳中，组件应力减半使疲劳寿命增加超过一个数量级。在一些实施方案中，超合金可以是镍基超合金，例如Inconel(例如IN100、IN600、IN713)、Waspaloy、Rene合金(例如Rene 41、Rene 80、Rene 95、Rene N5)、Haynes合金、Incoloy、MP98T、TMS合金和CMSX(例如CMSX4)单晶合金。
已示出优化的孔隙率提供增加冷却功能。如本文所用，可以将“孔隙率”定义成意指孔的表面积AA除以结构的表面积AS，或者孔隙率＝AA/AS。在一些实施方案中，期望的是，给定空隙结构的孔隙率大约为0.3％至9％，或者在一些实施方案中，大约为1％至4％，或者在一些实施方案中，大约为2％。相比之下，许多现有技术的排布需要40％至50％的孔隙率。
对于细长的孔可以存在预定的最佳纵横比，以提供期望的NPR特性。如本文所用，可以将孔的“纵横比”定义成意指孔的长度除以孔的宽度，或者孔的长轴长度除以孔的短轴长度。在一些实施方案中，期望的是，孔的纵横比大约为5至40，或者在一些实施方案中，大约为20至30。最佳NPR可以是例如-0.5。本公开构思的方面可以在用毫米的图案长度尺度产生的结构图案上来证实，并且同样适用于具有较小长度尺度(例如，微米、亚微米和纳米长度尺度)或较大长度尺度的相同周期性图案的结构，只要单位单元适于结构。
接下来转到图3至图9，示出根据本公开表现出NPR特性的浅凹与空隙混合的拉胀结构的各种实例。例如，图3例示了浅凹与空隙混合的拉胀结构，通常表示为300，其利用细长的对称突起物的交替图案和细长的非对称狭槽的交替图案。前述的突起物和狭槽是细长的，因为各自具有大于并垂直于短轴(例如，宽度)的长轴(例如，长度)。如示出，拉胀结构300包含弹性刚体310，其可以处于具有足够的弹性的金属片或其他刚体形式，以便一旦降低或取消宏观载荷条件时，则基本上或完全恢复至其原始形式。装配成弹性刚体310的是多个S形通槽(或“孔”)，统称为312，它们延伸穿过弹性刚体310。当在无应力状态时，细长的孔存在于弹性刚体310中。此外，多个椭圆形突起物(或者“浅凹”)，统称为314，从弹性刚体310的表面突出。虽然示出仅包含凸起的突起物，但是拉胀结构300可以用一个或多个凸起的突起物和一个或多个内凹的突起物进行装配。
将S形通槽312排布成行和列(例如，以第一阵列或第一矩阵)；同样地，将椭圆形突起物314排布成行和列(例如，第二阵列或第二矩阵排布)。在图3的实施方案中，S形通槽312的行与椭圆形突起物314的行交错(例如，完全由狭槽组成的行在上面和下面均与完全由突起物组成的行相邻，反之亦然)。此外，上述行中的每一个在垂直定向的狭槽/突起物与水平定向的狭槽/突起物之间交替。例如，各个垂直定向的狭槽在其左手侧和右手侧与水平定向的狭槽相邻，而各个垂直定向的突起物在其左手侧和右手侧与水平定向的突起物相邻。利用这种排布，将第一多个突起物和狭槽排布成它们的长轴平行于阵列的行，而将第二多个突起物和狭槽排布成它们的长轴平行于阵列的列。
所例示的孔和突起物的图案提供了预定的孔隙率(例如，约0.3％至9％)，同时在宏观平面载荷条件下(例如，当在片的平面中施加拉力或压缩时)表现出确定的负泊松比特性(例如，约-0.5至-0.7)。当拉胀结构300例如沿着垂直轴被拉伸时，在垂直方向上的轴向应变导致围绕各个单元的中心的力矩，这引起单元旋转。单元可以由邻近两个相邻空隙的两个相邻浅凹组成。各个单元以与其直接相邻的单元的方向相反的方向旋转。这种旋转增大了水平相邻单元之间的X方向距离，使得在Y方向上拉伸结构引起其在X方向上拉伸。孔具有(第一)工程化几何特性，包括预定的孔隙率和预定的纵横比，而突起物具有(第二)工程化几何特性，包括预定的深度和预定的纵横比，它们与包括NPR特征密度和单元排布的孔和突起物图案的(第三)工程化几何特性协同配置，以在宏观应力和应变载荷下实现预定的NPR特性。
对于单位单元的形状和定义，改变浅凹和空隙的取向也在本公开的范围和主旨中。例如，其他潜在的单位单元组成包括：方形单位单元，其中各个单位单元由在四个顶点的每一处的空隙和在中心的浅凹组成，如图5所示，或由各个顶点的浅凹和在中心的空隙形状组成；六边形单位单元，其中各个单位单元由在六个顶点的每一处的浅凹和在中心的空隙形状组成，如图6所示，或由在顶点的空隙和在中心的浅凹组成；以及具有沿着形状的边界布置的空隙和浅凹的组合的多边形单位单元，如图7所示。单位单元可以采用可以进行镶嵌的任何形状。此外，可以增加或减小浅凹与空隙之间的间隔，如图8所示，包括出现在浅凹顶部或侧面的空隙，如图9所示。还可以设想与替代的浅凹形状组合使用的替代的空隙形状。一些任选的空隙形状包括例如椭圆形、圆形、杠铃形、I形、S形和Z形通槽。一些任选的浅凹形状包括椭圆形、半球形、半球形、I形、S形等。
可以使用许多等式来生成浅凹形状，并且以下提供了实例。在本文中，a和b控制在f(x,y)＝0平面中的椭球的纵横比。浅凹的深度受δ控制。平面外曲率受α和β控制。可以由以下产生单一浅凹：
受限于
浅凹可以是向内/向外浅凹的组合或可以全部以相同方向离开平面。
可以堆叠任意数量的浅凹与空隙混合的拉胀片，以便实现期望的机械特性或期望的冷却特性或两者，并满足几何结构需求。可选地，混合的拉胀片可以与扁平或弯曲的片组合，或者可以将浅凹空隙混合的片与扁平/弯曲片的组合放在一起以实现期望的特性。与单独使用各个特征相比，使用多孔与无孔拉胀特征的混合的优势是设计较宽范围的孔隙率的能力。一些无孔拉胀结构可以仅靶向0％孔隙率应用。图案化空隙结构在相对高的孔隙率下对于应力降低产生最大益处。通过组合这两种类型的拉胀结构，可以在设计较低孔隙率同时实现应力降低的益处。
对于任何所公开配置的有利应用可以是在冲击泄流冷却衬套中，其中空隙提供冷却空气并且浅凹增加流中的湍流。该应用表示了对现有技术的改进，因为它由于精心设计的机械特性以及改进的冷却方案而降低组件应力。存在几种制造所公开的示例实施方案的可能方法，例如以通过金属冲孔形成浅凹并通过钻孔(例如，激光钻孔)产生空隙。实施方案还可以进行铸造，例如由于实现精密度而经由熔模铸造，或经由烧结或3D印刷制造。对于具体的应用，可以将浅凹与空隙拉胀结构优化成具体组件所需的孔隙率、几何结构和温度曲线。
图4中示出的是浅凹与空隙混合的拉胀结构的另一实例，通常以400表示，其利用了细长对称突起物和细长非对称狭槽的交替图案。虽然外观不同，但是拉胀结构400可以包括本文描述的关于其他拉胀结构的任何特征、选择和替代方案。同样地，除非明确放弃或在逻辑上禁止，否则本文公开的任何拉胀结构可以与其他公开的实施方案共享特征、选择和替代方案。与图3中例示的拉胀结构300相似，例如，图4的拉胀结构400包括弹性刚体410(例如，多晶允许和/或单晶允许的片材料)，其包含S形通槽/孔，其中一些被标记为412，以及凸起的椭圆形突起物/浅凹，其中一些被标记为414。与图3中所示的配置相似，将图4的S形通槽412和椭圆形突起物414排布成行和列的方形阵列或矩阵。比较而言，每行和每列包括与椭圆形突起物414交错的S形通槽412。例如，各个垂直定向的浅凹414在四个侧面上与水平定向的狭槽412相邻，同时各个水平定向的狭槽412在四个侧面上与垂直定向的浅凹414相邻。利用这种排布，突起物的短轴平行于阵列的行并且孔的短轴平行于阵列的列。因此，孔的长轴平行于阵列的行同时突起物的长轴平行于阵列的列。
图5至图7提供了浅凹与空隙混合的拉胀结构的其他实例，分别表示为500、600和700，它们利用了对称突起物和细长狭槽的交替图案。如上所指出，拉胀结构500、600、700可以包括本文所述的关于其他拉胀结构的任何特征、选择和替代方案，例如以上所讨论的。这些拉胀结构500、600、700各自分别包含弹性刚体510、610和710，它们用S形通槽/孔512、612和712以及凸起的半球形突起物/浅凹514、614和714装配。在图5中，将S形通槽512和半球形突起物514排布成方形单位单元的重复或镶嵌的图案，其中各个单位单元由位于四个角的每一处的狭槽512与在四个狭槽512的中心的突起物514组成。比较而言，图6的拉胀结构610包含以六边形单位单元的重复或镶嵌图案排布的S形通槽612和半球形突起物614，其中各个单位单元由位于六个角的每一处的突起物614与在六个突起物614的中心的狭槽612组成。相比之下，图7利用了六边形单位单元的重复或镶嵌图案，其中各个单元包含沿着单元的周边布置的狭槽712和突起物714与在单元的中心的狭槽712的组合。
图8和图9中示出的是浅凹与空隙混合的拉胀结构的其他实例，分别表示为800和900，它们利用了对称突起物和对称孔的交替图案。拉胀结构800、900中的每一个分别包含弹性刚体810和910，它们装配有圆形孔(或“钻孔”)812和912以及凸起半球形突起物(或“拱形”或“浅凹”)814和914。图8的拉胀结构800设计有以方形单位单元的图案排布的圆形钻孔812和半球形浅凹814，其中各个单位单元由位于四个角的每一处的浅凹814和在四个浅凹814的中心的钻孔812组成。比较而言，图9的拉胀结构910设计有以方形单位单元的图案排布的钻孔912和浅凹914，其中各个单位单元由位于四个角的每一处的浅凹914和穿过各个浅凹914的中心的钻孔912组成。
本公开的方面还涉及制造拉胀结构的方法和使用拉胀结构的方法。例如，提出了用于制造拉胀结构的方法，所示拉胀结构例如以上关于图3至图9描述的拉胀结构。该方法包括作为包括但非排他性的一组操作：提供弹性刚体，例如图3的弹性刚体312；向弹性刚体添加多个孔，例如图2b的椭圆形狭槽和图3的细长S形狭槽，它们延伸穿过弹性刚体，将孔排布成行和列的阵列；以及向弹性刚体添加多个突起物，例如图3或图5的半球形突起物，它们从弹性刚体的表面突出，将突起物以排布成行和列的阵列。将孔与突起物协同配置，例如以在图3至图9中描述的任何工程化图案进行排布，以提供预定的孔隙率，同时在应力或应变下表现出负泊松比(NPR)特性。
现在参考图10的流程图，根据本公开的方面，通常在1000描述了设计和装配拉胀结构的改进方法。图10可以是代表性的算法或工作流程图，包括可以通过以下执行的指令：例如，通过计算机辅助设计(CAD)系统、用于应力和/或流体流动计算的有限元(FE)系统(或类似)，和/或计算机自动化制造(CAM)系统以进行任何或全部以上或以下所述的与公开构思有关的功能。将参考附图中的图1至图9示出的各个方面和特征来描述方法1000；仅通过解释和为了清楚起见提供该参考。
方法1000从框1001开始，接收用于期望的拉胀结构应用的一组预定的设计需求的设计值。作为一些非限制性实例，这些设计需求可以包括外部载荷需求、热阻尼需求等。任选地，在框1003，方法1000从所接收的用于组件(其可以得益于NPR特性的并入)的预定设计需求的设计值，然后确定是否该应用适于可用的NPR结构的应用。例如，如果预期应用是热应力控制的、在位移可控的载荷条件下运行和/或具有所需NPR值的预定值，则该应用可以被称为“NPR的适当应用”。如果确定拉胀结构应用不适于NPR(1003＝否)，则方法继续至框1005，其中利用常规设计。
在框1003，如果确定期望的应用实际上适于NPR(框1003＝是)，则方法继续至框1007和/或框1009。如果应用的主要设计需求是结构的具体的所需负泊松比(NPR)值，则工作流程转到框1007。可以通过调节用于拉胀结构的狭槽设计参数和浅凹设计参数在框1009调整所需NPR值。例如，通过调节空隙特征的纵横比和/或孔隙率(通常，纵横比越高和/或孔隙率越高意味着负PR越大)或通过选择适当的浅凹特性(通常，椭圆形越多和/或陡度越小意味着负PR越大)，可以将表现出NPR特性的任何公开的拉胀结构配置应用于调整泊松比。可以利用参数研究以确定给定组件几何结构的确切特性。
可选地，如果主要设计需求是靶向孔隙率值和/或刚度值，则工作流程进行至框1011。根据例示的实例，框1011还可以包括从所接收的设计值确定用于拉胀结构的所需刚度。在框1011进行的评价可以任选地需要确定所需的组件孔隙率是高的、中等的还是零，并且确定所需的刚度是高的、中等的还是零。如果所需的组件孔隙率是零或几乎为零和/或所需的刚度相对较高，如框1013所示，然后方法将减少或取消向拉胀结构的弹性刚体添加NPR狭槽，使得拉胀结构主要包含或仅包含NPR浅凹，如框1015所示。相反地，如果所需的组件孔隙率相对较高(例如，大约9.0％)和/或所需的刚度相对较低，如框1017所示，然后则所述方法将减少或取消向拉胀结构的弹性刚体添加NPR浅凹，使得拉胀结构主要包含或仅包含NPR狭槽，如框1019所示。然而，当确定所需的组件孔隙率是中等的(例如，大于0％但小于9％)和/或所需的刚度是中等的时，如框1021所示，然后则所述方法将向弹性刚体添加补充数量的NPR浅凹和NPR狭槽，如框1023所示。
继续参考图10，至少部分基于在框1007和框1011鉴定的所需NPR值和所需组件孔隙率，框1025包括确定用于拉胀结构的NPR狭槽的狭槽设计参数、用于拉胀结构的NPR浅凹的浅凹设计参数以及用于狭槽和浅凹的单位单元排布。狭槽设计参数单独或以任意组合地包括NPR狭槽的形状、NPR狭槽的尺寸、NPR狭槽的纵横比等。在这点上，浅凹设计参数单独或以任意组合地包括NPR浅凹的形状、NPR浅凹的尺寸、NPR浅凹的深度等。相比之下，单位单元排布包括用于狭槽和浅凹的图案、间隔、比例或它们的任意组合。一些图案设计规则可能需要考虑从NPR狭槽的旋转和从浅凹的平面内位移方面来实现NPR特性。因此，至少一些实施方案所期望的是选择前述参数来控制这种特性以实现期望的应力和冷却性能特性。具有最小陡度的圆形浅凹倾向于具有比椭圆形或高陡度浅凹更低的峰值应力。
然后方法1000进行至框1027，其中将所选择的浅凹(例如，半球形、椭圆形等)和所选择的通槽(例如，椭圆形、S形、I形等)的图案排布在拉胀结构的弹性刚体的(上)表面上。任选地，在框1029，然后在向弹性刚体添加狭槽和浅凹之前，分析狭槽设计参数、浅凹设计参数和单位单元排布。这种分析可以利用成本模型、阻尼模型、冷却模型和/或应力模型以确定是否需要任何改变。如果需要修改，则在框1031进行迭代，然后方法1000返回至框1025。否则，方法1000继续至框1033，其中根据确定的狭槽设计参数、浅凹设计参数和单位单元排布，将所选择的NPR狭槽和浅凹添加至弹性刚体。
在一些实施方案中，方法至少包括以上列举的和在附图中例示的那些步骤。省略步骤、包括其他步骤和/或修改以上提到的顺序也在本发明的范围和主旨内。还应该注意，前述方法可以代表用于设计和装配拉胀结构的单一序列。然而，预期的是方法将以系统和重复的方式进行实践。
在一些实施方案中，可以通过指令的计算机可执行程序例如程序模块(通常被称为由计算机执行的软件应用或应用程序)来实施本公开的方面。在非限制性实例中，软件可以包括执行特定的任务或实施特定的抽象数据类型的例程、程序、对象、组件和数据结构。该软件可以形成界面，以允许计算机根据输入源作出反应。该软件还可以与其他代码段协作以响应于接收到的数据连同接收数据的源时引发各种任务。软件可以存储在各种存储器介质的任一种上，例如CD-ROM、磁盘、磁泡存储器和半导体存储器(例如，各种类型的RAM或ROM)。
此外，本公开的方面可以用各种计算机系统和计算机网络配置进行实践，包括手持装置、多处理器系统、基于微处理器或可编程消费电子装置、小型计算机、大型计算机等。此外，本公开的方面可以在分布式计算环境中实践，其中通过通信网络连接的远程处理装置执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地和远程计算机存储介质，所述计算机存储介质包括存储器存储装置。因此，可以在计算机系统或其他处理系统中结合各种硬件、软件或它们的组合实施本公开的方面。
应注意，仅为了例示和解释，提供了本文所例示和讨论的如具有执行特定功能并彼此相互作用的各种模块或框(block)或步骤的算法。应理解，为了描述，这些模块仅基于它们的功能而进行隔离，并且可以表示计算机硬件和/或可执行的软件代码，所述软件代码可以存储在计算机可读介质上用于在适当的计算机硬件上执行。不同模块和单元的各种功能可以作为硬件和/或存储在非暂时计算机可读介质上的软件，以任何方式组合或隔离成模块，并且可以单独使用或组合使用。
本发明不限于本文公开的精确构造和组成。而是，由以上描述变得显而易见的任何和所有修改、改变、组合、排列和变体在如所附权利要求所限定的本发明的范围和主旨内。此外，本构思明确地包括前述要素和方面的任何和所有的组合和子组合。
Claims (63)
1.拉胀结构，包括：
弹性刚体，所述弹性刚体具有：
多个孔，其延伸穿过所述弹性刚体，所述多个孔被排布成第一阵列的行和列；以及
多个突起物，其从所述弹性刚体突出，所述多个突起物排布成第二阵列的行和列，
其中所述多个孔与所述多个突起物协同配置以提供预定孔隙率，同时在宏观平面载荷条件下表现出负泊松比(NPR)特性。
2.如权利要求1所述的拉胀结构，其中各个所述突起物是细长的，具有垂直于短轴的长轴。
3.如权利要求2所述的拉胀结构，其中所述突起物的短轴平行于所述第二阵列的行并且所述突起物的长轴平行于所述第二阵列的列。
4.如权利要求2所述的拉胀结构，其中所述突起物包括以各个长轴平行于所述第二阵列的行而排布的第一多个突起物，以及以各个长轴平行于所述第二阵列的列而排布的第二多个突起物。
5.如权利要求2所述的拉胀结构，其中所述突起物为椭圆形。
6.如权利要求1所述的拉胀结构，其中所述突起物包括一个或多个凸起的突起物和一个或多个内凹的突起物。
7.如权利要求1所述的拉胀结构，其中所述突起物为半球形。
8.如权利要求1所述的拉胀结构，其中所述多个突起物与所述多个孔交错。
9.如权利要求1所述的拉胀结构，其中通过所述突起物中的各个突起物限定各个所述孔。
10.如权利要求1所述的拉胀结构，其中各个所述孔是细长的，具有垂直于短轴的长轴。
11.如权利要求10所述的拉胀结构，其中所述孔的长轴平行于所述第一阵列的行并且所述孔的短轴平行于所述第一阵列的列。
12.如权利要求10所述的拉胀结构，其中所述孔包括以各个长轴平行于所述第一阵列的行而排布的第一多个孔，以及以各个长轴平行于所述第一阵列的列而排布的第二多个孔。
13.如权利要求10所述的拉胀结构，其中所述孔为S形通槽。
14.如权利要求10所述的拉胀结构，其中当在无应力状态下时，细长的孔存在于所述弹性刚体中。
15.如权利要求10所述的拉胀结构，其中由所述细长的孔提供的预定孔隙率大约为0.3％至9％。
16.如权利要求1所述的拉胀结构，其中各个所述孔和各个所述突起物的纵横比大约为5至40。
17.如权利要求1所述的拉胀结构，其中所述孔为圆形钻孔。
18.如权利要求1所述的拉胀结构，其中所述弹性刚体包括金属片。
19.如权利要求1所述的拉胀结构，其中所述第一阵列和所述第二阵列是同一个阵列，使得所述孔和所述突起物沿着相同的行和列对齐。
20.如权利要求1所述的拉胀结构，其中所述孔包含包括所述预定孔隙率和第一预定纵横比的第一几何特性，并且所述突起物包含包括预定深度和第二预定纵横比的第二几何特性，所述第一几何特性和所述第二几何特性协同配置以在宏观平面载荷下通过NPR特性表现出应力降低。
21.如权利要求1所述的拉胀结构，其中所述弹性刚体包括多晶合金的片材或单晶合金的片材或两者。
22.如权利要求1所述的拉胀结构，其中所述突起物和所述孔被排布成六边形单位单元的图案，所述突起物之一在各个所述六边形单位单元的各个顶点并且所述孔之一在各个所述六边形单位单元的中心。
23.如权利要求1所述的拉胀结构，其中所述突起物和所述孔被排布成方形单位单元的图案，所述孔之一在各个所述方形单位单元的各个顶点并且所述突起物之一在各个所述方形单位单元的中心。
24.如权利要求1所述的拉胀结构，其中所述突起物和所述孔被排布成方形单位单元的图案，所述突起物之一在各个所述方形单位单元的各个顶点并且所述孔之一在各个所述方形单位单元的中心。
25.如权利要求1所述的拉胀结构，其中所述突起物和所述孔被排布成方形单位单元的图案，所述突起物之一在各个所述方形单位单元的各个顶点并且所述孔之一在各个所述方形单位单元的中心。
26.低孔隙率拉胀片结构，包括：
金属片，具有延伸穿过所述金属片的多个空隙和从所述金属片突出的多个浅凹，所述空隙具有第一组几何特性并且被排布成第一图案，所述浅凹具有第二组几何特性并且被排布成第二图案，其中所述空隙的几何特性和图案与所述浅凹的几何特性和图案协同配置以提供预定孔隙率，同时在宏观载荷条件下表现出负泊松比(NPR)特性。
27.制造拉胀结构的方法，所述方法包括：
提供弹性刚体；
向所述弹性刚体添加延伸穿过所述弹性刚体的多个孔，将所述多个孔排布成第一阵列的行和列；以及
向所述弹性刚体添加从所述弹性刚体突出的多个突起物，将所述多个突起物排布成第二阵列的行和列，
其中所述多个孔与所述多个突起物协同配置以提供预定孔隙率，同时在宏观平面载荷条件下通过负泊松比(NPR)特性表现出应力降低。
28.如权利要求27所述的方法，其中各个所述突起物是细长的，具有垂直于短轴的长轴。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述突起物的短轴平行于所述第二阵列的行并且所述突起物的长轴平行于所述第二阵列的列。
30.如权利要求28所述的方法，其中所述突起物包括以各个长轴平行于所述第二阵列的行而排布的第一多个突起物，以及以各个长轴平行于所述第二阵列的列而排布的第二多个突起物。
31.如权利要求28所述的方法，其中所述突起物为椭圆形。
32.如权利要求27所述的方法，其中所述突起物包括一个或多个凸起的突起物和一个或多个内凹的突起物。
33.如权利要求27所述的方法，其中所述突起物为半球形。
34.如权利要求27所述的方法，其中所述多个突起物与所述多个孔交错。
35.如权利要求27所述的方法，其中通过所述突起物中的各个突起物限定各个所述孔。
36.如权利要求27所述的方法，其中各个所述孔是细长的，具有垂直于短轴的长轴。
37.如权利要求36所述的方法，其中所述孔的长轴平行于所述第一阵列的行并且所述孔的短轴平行于所述第一阵列的列。
38.如权利要求36所述的方法，其中所述孔包括以各个长轴平行于所述第一阵列的行而排布的第一多个孔、以及以各个长轴平行于所述第一阵列的列而排布的第二多个孔。
39.如权利要求36所述的方法，其中所述孔为S形通槽。
40.如权利要求36所述的方法，其中当所述弹性刚体为无应力状态时，细长的孔存在于所述弹性刚体中。
41.如权利要求36所述的方法，其中由所述细长的孔提供的预定孔隙率大约为0.3％至9％。
42.如权利要求27所述的方法，其中各个所述孔和各个所述突起物的纵横比大约为5至40。
43.如权利要求27所述的方法，其中所述孔为圆形钻孔。
44.如权利要求27所述飞方法，其中所述弹性刚体包括金属片。
45.如权利要求27所述的方法，其中所述第一阵列和所述第二阵列是同一个阵列，使得所述孔和所述突起物沿着相同的行和列对齐。
46.如权利要求27所述的方法，其中所述孔包含包括所述预定孔隙率和第一预定纵横比的第一几何特性，并且所述突起物包含包括预定深度和第二预定纵横比的第二几何特性，所述第一几何特性和所述第二几何特性协同配置以在宏观平面载荷条件下通过NPR特性实现应力降低。
47.如权利要求27所述的方法，其中所述弹性刚体包括多晶合金的片材或单晶合金的片材或两者。
48.如权利要求27所述的方法，其中将所述突起物和所述孔被排布成六边形单位单元的图案，所述突起物之一在各个所述六边形单位单元的各个顶点并且所述孔之一在各个所述六边形单位单元的中心。
49.如权利要求27所述的方法，其中将所述突起物和所述孔被排布成方形单位单元的图案，所述孔之一在各个所述方形单位单元的各个顶点并且所述突起物之一在各个所述方形单位单元的中心。
50.如权利要求27所述的方法，其中将所述突起物和所述孔被排布成方形单位单元的图案，所述突起物之一在各个所述方形单位单元的各个顶点并且所述孔之一在各个所述方形单位单元的中心。
51.如权利要求27所述的方法，其中将所述突起物和所述孔被排布成方形单位单元的图案，所述突起物之一在各个所述方形单位单元的各个顶点并且所述孔之一在各个所述方形单位单元的中心。
52.装配拉胀结构的方法，所述方法包括：
接收所述拉胀结构的预定设计需求的设计值；
根据接收的设计值确定所述拉胀结构的所需组件孔隙率；
确定所述拉胀结构的最大容许应力值；
至少部分基于所述最大容许应力值和所述所需组件孔隙率确定所述拉胀结构的多个狭槽的狭槽设计参数；
至少部分基于所述最大容许应力值和所述所需组件孔隙率确定所述拉胀结构的多个浅凹的浅凹设计参数；
至少部分基于所述最大容许应力值和所述所需组件孔隙率确定所述狭槽和所述浅凹的单位单元排布；以及
根据确定的狭槽设计参数、确定的浅凹设计参数和确定的单位单元排布，向弹性刚体添加所述多个狭槽和所述多个浅凹。
53.如权利要求52所述的方法，还包括根据所述接收的设计值确定所述拉胀结构的所需刚度。
54.如权利要求52所述的方法，还包括根据所述拉胀结构的所述预定设计需求的所述接收的设计值，确定所述拉胀结构是否适于NPR。
55.如权利要求54所述的方法，其中如果预期应用是热应力控制、在位移可控的载荷条件下运行或对于所需NPR值具有预定值、或它们的任意组合，则所述拉胀结构适于NPR。
56.如权利要求52所述的方法，还包括确定所述所需组件孔隙率是高的、中等的还是零。
57.如权利要求56所述的方法，还包括：
如果所述所需组件孔隙率是高的，则减少或取消向所述弹性刚体添加所述浅凹；
如果所述所需组件孔隙率是中等的，则向所述弹性刚体添加补充数量的所述浅凹和所述狭槽；以及
如果所述所需组件孔隙率为零，则减少或取消向所述弹性刚体添加所述狭槽。
58.如权利要求52所述的方法，还包括在向所述弹性刚体添加所述狭槽和所述浅凹之前，分析所述确定的狭槽设计参数、所述确定的浅凹设计参数和所述确定的单位单元排布。
59.如权利要求52所述的方法，还包括通过调节所述狭槽设计参数或所述浅凹设计参数来调整NPR特性。
60.如权利要求52所述的方法，其中所述狭槽设计参数包括所述狭槽的形状、尺寸、纵横比或它们的任意组合。
61.如权利要求52所述的方法，其中所述浅凹设计参数包括所述浅凹的形状、尺寸、深度或它们的任意组合。
62.如权利要求52所述的方法，其中所述单位单元排布包括图案、间隔、比例或它们的任意组合。
63.如权利要求52所述的方法，其中所述预定设计需求包括外部载荷需求、热阻尼需求或它们的组合。
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| GR01 | Patent grant | ||
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