CN109033486A - 一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料 - Google Patents

一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料 Download PDF

Info

Publication number
CN109033486A
CN109033486A CN201810436784.0A CN201810436784A CN109033486A CN 109033486 A CN109033486 A CN 109033486A CN 201810436784 A CN201810436784 A CN 201810436784A CN 109033486 A CN109033486 A CN 109033486A
Authority
CN
China
Prior art keywords
negative poisson
ratio
dimensional
controllable
auxetic
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
Application number
CN201810436784.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109033486B (zh
Inventor
王辉
赵新娟
赵吉义
杨莹
陈俊旗
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Henan University of Technology
Original Assignee
Henan University of Technology
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Henan University of Technology filed Critical Henan University of Technology
Priority to CN201810436784.0A priority Critical patent/CN109033486B/zh
Publication of CN109033486A publication Critical patent/CN109033486A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109033486B publication Critical patent/CN109033486B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/24—Sheet material
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/06—Power analysis or power optimisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Manufacture Of Porous Articles, And Recovery And Treatment Of Waste Products (AREA)

Abstract

本发明涉及一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料，所述的二维周期性负泊松比拉胀材料是由在二维空间上周期性排布的多孔胞元构成，所述的多孔胞元的微结构是由通过在二维平面母体材料中沿不同方向切割出规则排列的孔组成，本发明具有避免了常规负泊松比材料中尖角处应力集中、负泊松值可通过设置不同的几何参数调整、横向和纵向均可以产生负泊松比的优点。

Description

一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料。
背景技术
泊松比是指材料在轴向受拉或受压时，横向线应变与轴向线应变的比值
其中，是材料的轴向线应变，是材料的横向线应变。因此，泊松比反映了物体伸缩变形时的体积变化。泊松比越小，材料变形过程中体积变化越太。
普通材料在拉伸时出现颈缩现象而压缩时横向体积变大，因此，普通材料的泊松比为正值，不同于普通材料，负泊松比材料具有与直观现象相反的力学行为，其在受轴向拉伸时会发生侧向膨胀，在受轴向压缩时会发生侧向收缩，这种具有异常拉胀(auxetic)行为的材料的设计和分析是正在进行的一个新兴材料研究领域，具有广泛的应用价值。
目前，常见拉胀材料胞元的微结构可以分为内凹(re-entrant)多孔微结构和手性(chiral)多孔微结构；由于这两种微结构主要由细杆组成，因此对应拉胀材料的强度和硬度都不高,不利于承载能力的提高。
本发明将提出一种不同于内凹和手性拉胀材料的二维周期性拉胀材料；通过孔使得普通材料具有负泊松比效应。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种避免了常规负泊松比材料中尖角处应力集中、负泊松值可通过设置不同的几何参数调整、横向和纵向均可以产生负泊松比的二维周期性负泊松比可控拉胀材料。
本发明的技术方案是：一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料，所述的二维周期性负泊松比拉胀材料是由在二维空间上周期性排布的多孔胞元构成，所述的多孔胞元的微结构是由通过在二维平面母体材料中沿不同方向切割出规则排列的孔组成。
所述的多孔胞元中的孔为哑铃型结构孔。
所述的多孔胞元中的孔的几何形状可以相同，且孔的直径大小可以不同。
所述的多孔胞元中的孔的几何形状是由四个相切的圆生成。
所述的母体材料为金属材料、高分子聚合物、复合材料等中的任意一种制成。
所述的二维周期性负泊松比可控拉胀材料为多孔材料，且其孔隙率由孔的大小和长细比决定。
本发明具有以下优点：本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）在横向和纵向均可以产生负泊松比；
（2）避免了常规负泊松比材料中尖角处应力集中；
（3）负泊松值可通过设置不同的几何参数调整。
附图说明
图1为本发明一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料的负泊松比拉胀材料的结构示意图。
图2为本发明一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料的多孔胞元的微结构示意图。
图3为本发明一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料的哑铃型结构孔的产生原理示意图。
图4为本发明一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料的拉伸载荷作用下的有限元变形云图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
采用边长为10mm的正方形多孔胞元；多孔胞元内的哑铃型结构孔的几何参数为r=1.5mm，d=5mm，R=3.215mm，对应的孔隙率为72.1%；拉胀材料由10×20的多孔胞元阵列组成，其中多孔胞元包含一个哑铃型结构孔、两个哑铃状纵向半孔、两个哑铃状横向半孔和四个哑铃状四分之一孔，
；
其中，是多孔胞元的孔隙率，是哑铃型结构孔的面积，是正方形多孔胞元的边长；
哑铃状由四个圆围切而成，因此，其几何尺寸由定位圆的半径r,外切圆的半径R以及两定位圆的圆心距d控制；其中，外切圆的圆心位于定位圆圆心连线的中垂线上，它到定位圆圆心连线的距离通过下面公式计算：
；
哑铃型结构孔的面积通过下面公式计算：
；
母材为金属钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3；
为了方便端部加载，在拉胀材料的左右端部设计两个实体边，得到CAD模型；
利用有限元技术，对拉胀材料进行实体有限单元网格剖分，计算其在拉伸情况下的负泊松比系数，具体包括如下：
（一）在拉胀材料的两端分别施加拉伸位移5mm；
（二）在拉胀材料的两端中点约束横向位移，避免模型的刚体位移；
（三）利用有限元技术得到拉胀材料的变形图，该材料在横向有明显的膨胀行为；
（四）计算得到横向长度改变量为6.75mm，故材料的横向线应变可近似计算为：
（五）材料的拉伸方向长度变化量为10mm，故拉伸方向线应变可近似计算为：
（六）根据得到的横向和纵向线应变，则拉胀材料的泊松比为：
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：（1）在横向和纵向均可以产生负泊松比；（2）避免了常规负泊松比材料中尖角处应力集中；（3）负泊松值可通过设置不同的几何参数调整。

Claims (6)

1.一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料，其特征在于：所述的二维周期性负泊松比拉胀材料是由在二维空间上周期性排布的多孔胞元构成，所述的多孔胞元的微结构是由通过在二维平面母体材料中沿不同方向切割出规则排列的孔组成。
2.如权利要求1所述的一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料，其特征在于：所述的多孔胞元中的孔为哑铃型结构孔。
3.如权利要求1所述的一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料，其特征在于：所述的多孔胞元中的孔的几何形状可以相同，且孔的直径大小可以不同。
4.如权利要求1所述的一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料，其特征在于：所述的多孔胞元中的孔的几何形状是由四个相切的圆生成。
5.如权利要求1所述的一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料，其特征在于：所述的母体材料为金属材料、高分子聚合物、复合材料等中的任意一种制成。
6.如权利要求1所述的一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料，其特征在于：所述的二维周期性负泊松比可控拉胀材料为多孔材料，且其孔隙率由孔的大小和长细比决定。
CN201810436784.0A 2018-05-09 2018-05-09 一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料 Active CN109033486B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810436784.0A CN109033486B (zh) 2018-05-09 2018-05-09 一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810436784.0A CN109033486B (zh) 2018-05-09 2018-05-09 一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109033486A true CN109033486A (zh) 2018-12-18
CN109033486B CN109033486B (zh) 2023-12-12

Family

ID=64611426

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810436784.0A Active CN109033486B (zh) 2018-05-09 2018-05-09 一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109033486B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111969327A (zh) * 2020-08-21 2020-11-20 北京化工大学 一种形变可设计且可非接触控制的二维机械超材料
CN112813881A (zh) * 2020-12-30 2021-05-18 山东大学 一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料、方法及应用
CN113864630A (zh) * 2021-09-30 2021-12-31 北京科技大学 一种具有面内负泊松比特性的轻量化蛋盒型单胞及制备
IT202200001265A1 (it) 2022-01-26 2022-04-26 Universita’ Degli Studi Di Modena E Reggio Emilia Struttura vertebrale in parete sottile in metamateriale auxetico

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6585151B1 (en) * 2000-05-23 2003-07-01 The Regents Of The University Of Michigan Method for producing microporous objects with fiber, wire or foil core and microporous cellular objects
CN106541568A (zh) * 2016-10-31 2017-03-29 常州工学院 一种三维负泊松比周期性多孔材料及其制作方法
CN107401218A (zh) * 2017-07-25 2017-11-28 东南大学 一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6585151B1 (en) * 2000-05-23 2003-07-01 The Regents Of The University Of Michigan Method for producing microporous objects with fiber, wire or foil core and microporous cellular objects
CN106541568A (zh) * 2016-10-31 2017-03-29 常州工学院 一种三维负泊松比周期性多孔材料及其制作方法
CN107401218A (zh) * 2017-07-25 2017-11-28 东南大学 一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
卢子兴: "一种有负泊松比效应的二维多胞材料力学模型", 《北京航空航天大学学报》 *
卢子兴: "一种有负泊松比效应的二维多胞材料力学模型", 《北京航空航天大学学报》, vol. 32, no. 5, 31 May 2006 (2006-05-31), pages 594 - 597 *
柏莲桂: "等规聚丙烯子母晶结构引起的拉伸胀大", 《中国科学技术大学学报》 *
柏莲桂: "等规聚丙烯子母晶结构引起的拉伸胀大", 《中国科学技术大学学报》, vol. 40, no. 6, 30 June 2010 (2010-06-30), pages 618 - 622 *
江坤等: "负泊松比蜂窝结构覆盖层的动态压缩行为研究", 《机械设计与制造》 *
江坤等: "负泊松比蜂窝结构覆盖层的动态压缩行为研究", 《机械设计与制造》, no. 11, 8 November 2017 (2017-11-08) *
韩春光;汤立群;黄小清;: "材料非均匀性对泡沫金属拉伸性能的影响", 实验力学, no. 03 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111969327A (zh) * 2020-08-21 2020-11-20 北京化工大学 一种形变可设计且可非接触控制的二维机械超材料
CN112813881A (zh) * 2020-12-30 2021-05-18 山东大学 一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料、方法及应用
CN112813881B (zh) * 2020-12-30 2022-06-14 山东大学 一种具有负泊松比特性的水泥基复合材料、方法及应用
CN113864630A (zh) * 2021-09-30 2021-12-31 北京科技大学 一种具有面内负泊松比特性的轻量化蛋盒型单胞及制备
IT202200001265A1 (it) 2022-01-26 2022-04-26 Universita’ Degli Studi Di Modena E Reggio Emilia Struttura vertebrale in parete sottile in metamateriale auxetico

Also Published As

Publication number Publication date
CN109033486B (zh) 2023-12-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109033486A (zh) 一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料
CN105020566B (zh) 变截面金属点阵结构及其加工方法
CN111859487B (zh) 基于曲率设计的三维可控拉胀结构与材料
CN105398100B (zh) 一种蜂窝夹层板
CN111895015A (zh) 基于增材制造的变体梯度点阵结构
Zhou et al. Experimental investigation on uniaxial tensile properties of high-porosity metal fiber sintered sheet
CN102240913A (zh) 大型薄板工件离散浮动式支撑方法
CN110984416A (zh) 具有三维特性的负泊松比结构及其组合方法
CN108389258A (zh) 一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件
CN112100752A (zh) 用于形成点阵梯度多孔结构的结构单元和梯度多孔材料
CN113358018B (zh) 一种锥形杆系金刚石点阵结构、应变传感器及测量系统
Yang et al. Compressive mechanical properties of layer hybrid lattice structures fabricated by laser powder bed fusion technique
CN114564822A (zh) 一种仿生马鞍形单元及其衍生构成的点阵结构
CN114013027A (zh) 一种强稳定性负泊松比结构的构建方法
CN102728706A (zh) 连续不均匀压缩成形三维曲面的方法
CN114619050A (zh) 周期性结构、隔热结构和增材制造方法
CN109284542B (zh) 一种高强度多孔材料吸能装置及多孔材料强度确定方法
CN115497583A (zh) 一种基于梯度密度的不等厚蜂窝结构及其参数化设计方法
KR101431053B1 (ko) 금속 판재 성형 방법, 이에 사용되는 선행 스탬핑 툴, 그리고 선행 스탬핑 툴 최적 설계 방법
CN114169187A (zh) 一种各向同性点阵结构的设计方法
Gu et al. Novel gradient design and simulation of Voronoi structures
Mrňa et al. Solar Absorber With A Structured Surface–A Way To Increase Efficiency
CN221694176U (zh) 一种维持柔性蜂窝孔格规整性稳定性的工装
CN220053100U (zh) 一种具有负泊松比效应的泡沫夹芯板
CN113715430B (zh) 一种具有波浪结构的金属玻璃复合材料

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