CN109519691B - 一种基于负曲率桁架模型的负泊松比材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于负曲率桁架模型的负泊松比材料，属于负泊松比材料领域。它包括Y方向直线排列的n个负曲率桁架模型，n个负曲率桁架模型结构完全相同，均包括二力刚杆A、采用铰链B装设于二力刚杆A一端的二力刚杆B、采用铰链F装设于二力刚杆B另一端的二力刚杆C、采用铰链C装设于二力刚杆C另一端的二力刚杆D、采用铰链D装设于二力刚杆D另一端的二力刚杆E、采用铰链E装设于二力刚杆E另一端的二力刚杆F；二力刚杆F的另一端与二力刚杆A的另一端相连；铰链E与铰链F分别与线性弹簧的两端相连。本发明是一种单向拉伸作用下纵向与横向同时伸长变形、基于负曲率桁架模型生成的二维负泊松比材料。

Description

一种基于负曲率桁架模型的负泊松比材料
技术领域
本发明主要涉及负泊松比材料领域，特指一种基于负曲率桁架模型的负泊松比材料。
背景技术
现实生活中几乎所有的材料泊松比值都为正,即这些材料在纵向拉伸时材料的横向发生收缩变形。而负泊松比效应,是指受纵向拉伸时,材料在弹性范围内发生横向膨胀，而受纵向压缩时,材料的横向反而发生收缩。这种力学上具有负泊松效应的材料由于其奇特的性能而倍受材料科学家和物理学家们的重视。因此，从微观结构上设计具有负泊松比效应的材料具有重要的知道意义。
发明内容
本发明需解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种单向拉伸作用下纵向与横向同时伸长变形、基于负曲率桁架模型生成的二维负泊松比材料。
为了解决上述问题，本发明提出的解决方案为：一种基于负曲率桁架模型的负泊松比材料，它包括Y方向直线排列的n个负曲率桁架模型，其结构特征在于：
所述n个负曲率桁架模型结构完全相同，均包括二力刚杆A、采用铰链B装设于所述二力刚杆A一端的二力刚杆B、采用铰链F装设于所述二力刚杆B另一端的二力刚杆C、采用铰链C装设于所述二力刚杆C另一端的二力刚杆D、采用铰链D装设于所述二力刚杆D14另一端的二力刚杆E、采用铰链E装设于所述二力刚杆E另一端的二力刚杆F；
所述二力刚杆F的另一端与所述二力刚杆A的另一端采用铰链A相连；所述铰链E与所述铰链F分别与线性弹簧的两端相连；
所述二力刚杆A与所述二力刚杆B所成夹角为锐角，所述二力刚杆A与所述二力刚杆F所成夹角为锐角，所述二力刚杆D与所述二力刚杆C所成夹角为锐角，所述二力刚杆D与所述二力刚杆E成夹角为锐角；
相邻的两个所述负曲率桁架模型中，前一个所述负曲率桁架模型中的所述铰链D、铰链C分别与后一个所述负曲率桁架模型中的所述铰链A、铰链B重合；
所述线性弹簧为可发生一定拉压变形的线弹性纤维。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明的一种基于负曲率桁架模型的负泊松比材料基于n个负曲率桁架模型，每个负曲率桁架模型均是由6根刚杆组成的六边形组成，六边形的中间两个角度为钝角，其余四个角度为锐角，从而使得中间铰链处产生负曲率。当Y向拉伸时，X向将发生伸长，实现了负泊松比效果。
(2)本发明的负曲率桁架模型还设有线性弹簧用于恢复桁架的初始结构状态，从而使得负曲率桁架模型呈现一定的线弹性状态。由此可知，本发明是一种单向拉伸作用下纵向与横向同时伸长变形、基于负曲率桁架模型生成的二维负泊松比材料。
附图说明
图1是本发明的一种基于负曲率桁架模型的负泊松比材料的结构原理示意图。
图2是本发明的负曲率桁架模型的结构原理示意图。
图中，4—负曲率桁架模型；11—二力刚杆A：12二力刚杆B；13—二力刚杆C；14—二力刚杆D；15—二力刚杆E；16—二力刚杆F；21—铰链A；22—铰链B；23—铰链C；24—铰链D；25—铰链E；26—铰链F；3—线性弹簧。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1和图2所示，本发明的一种基于负曲率桁架模型的负泊松比材料，它包括Y方向直线排列的n个负曲率桁架模型4。
参见图1和图2所示，n个负曲率桁架模型4结构完全相同，均包括二力刚杆A11、采用铰链B22装设于二力刚杆A11一端的二力刚杆B12、采用铰链F26装设于二力刚杆B12另一端的二力刚杆C13、采用铰链C23装设于二力刚杆C13另一端的二力刚杆D14、采用铰链D24装设于二力刚杆D14另一端的二力刚杆E15、采用铰链E25装设于二力刚杆E15另一端的二力刚杆F16。
参见图1和图2所示，二力刚杆F16的另一端与二力刚杆A11的另一端采用铰链A21相连；铰链E25与铰链F26分别与线性弹簧3的两端相连。
参见图1和图2所示，二力刚杆A11与二力刚杆B12所成夹角为锐角，二力刚杆A11与二力刚杆F16所成夹角为锐角，二力刚杆D14与二力刚杆C13所成夹角为锐角，二力刚杆D14与二力刚杆E15成夹角为锐角。
参见图1和图2所示，相邻的两个负曲率桁架模型4中，前一个负曲率桁架模型4中的铰链D24、铰链C23分别与后一个负曲率桁架模型4中的铰链A21、铰链B22重合。
参见图1和图2所示，线性弹簧3为可发生一定拉压变形的线弹性纤维。
首先解释一下本申请中的二力刚杆，这里的二力刚杆指的是作用力沿杆的轴线方向，且发生变形时，二力刚杆的刚度极大，即二力刚杆不会发生伸缩变形；线性弹簧3的刚度远小于二力刚杆的刚度，即当沿Y方向施加一对平衡力作用于图1中的二维负泊松比材料时，负曲率桁架模型4中的所有二力刚杆只会绕端点处的铰链转动，而不会发生杆的伸缩变形，线性弹簧3的变形将储存一定的弹性能用于使负曲率桁架模型4在外部载荷去除后自动恢复到初始结构状态。
工作原理：为了方便分析，不妨假设二力刚杆B12、二力刚杆C13、二力刚杆E15和二力刚杆F16的长度相等，即长度均为l，整个负曲率桁架模型4关于线性弹簧3结构对称，且二力刚杆A11与二力刚杆F16所成锐角为
Figure GDA0003098756690000031
因此，当负曲率桁架模型4沿Y方向作用一对平衡力F时(如图2所示)，则负曲率桁架模型4沿Y方向的伸缩量δy与角度的改变量
Figure GDA0003098756690000032
满足关系式
Figure GDA0003098756690000033
负曲率桁架模型4沿X方向的伸缩量δx与角度的改变量
Figure GDA0003098756690000034
满足关系式：
Figure GDA0003098756690000035
由于
Figure GDA0003098756690000036
所以δx与δy均为正，根据泊松比μ＝-δx/δy的定义可知负曲率桁架模型4的泊松比为负。由于二维负泊松比材料是由n个y方向直线排列的负曲率桁架模型4组成，从而使得整个二维材料具有负泊松比。需要注意的是：这里X方向的长度应该取有效值，即二力刚杆A11与线性弹簧3长度的平均值。

Claims (1)

1.一种基于负曲率桁架模型的负泊松比材料，包括Y方向直线排列的n个负曲率桁架模型(4)，其特征在于：
所述n个负曲率桁架模型(4)结构完全相同，均包括二力刚杆A(11)、采用铰链B(22)装设于所述二力刚杆A(11)一端的二力刚杆B(12)、采用铰链F(26)装设于所述二力刚杆B(12)另一端的二力刚杆C(13)、采用铰链C(23)装设于所述二力刚杆C(13)另一端的二力刚杆D(14)、采用铰链D(24)装设于所述二力刚杆D(14)另一端的二力刚杆E(15)、采用铰链E(25)装设于所述二力刚杆E(15)另一端的二力刚杆F(16)；
所述二力刚杆F(16)的另一端与所述二力刚杆A(11)的另一端采用铰链A(21)相连；所述铰链E(25)与所述铰链F(26)分别与线性弹簧(3)的两端相连；
所述二力刚杆A(11)与所述二力刚杆B(12)所成夹角为锐角，所述二力刚杆A(11)与所述二力刚杆F(16)所成夹角为锐角，所述二力刚杆D(14)与所述二力刚杆C(13)所成夹角为锐角，所述二力刚杆D(14)与所述二力刚杆E(15)成夹角为锐角；
相邻的两个所述负曲率桁架模型(4)中，前一个所述负曲率桁架模型(4)中的所述铰链D(24)、铰链C(23)分别与后一个所述负曲率桁架模型(4)中的所述铰链A(21)、铰链B(22)重合；
所述线性弹簧(3)为可发生一定拉压变形的线弹性纤维。
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