CN109551755A - 一种具有各向同性的三维拉胀结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有各向同性的三维拉胀结构，包括多个基础单元，所述基础单元包括三个大小和结构都相同的星形基础结构和连接支柱，三个所述星形基础结构间两两相互垂直且相交于星形基础结构内凹处，所述连接支柱连接于所述星形基础结构内凹处且向外伸出，由于星形基础结构大小相同且相互垂直，结构高度对称，其物理性质不会因方向的不同而有所变化，具有各向同性，在每个方向上都可表现出拉胀效应，且结构简洁，制作较为简单。
Description
技术领域
本发明涉及超材料领域，特别是一种具有各向同性的三维拉胀结构。
背景技术
“超材料”根据一般文献给出的定义为：一类具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或材料。拉胀超材料作为超材料的一个分支，其主要的一个超常物理性质是具备拉胀效应。根据泊松比的计算公式：
其中，εx表示材料的横向应变，εy表示材料的纵向应变。
当泊松比为负值时，表示该材料在受拉(或受压)下，垂直荷载方向的应变与平行荷载方向的应变的正负号一致，即它的各个方向均在膨胀(或收缩)，也就是所说的“拉胀效应”或“负泊松比效应”。正因这种效应，材料在局部受压下，其内部结构会发生一定范围内的聚拢，从而在剪切模量、断裂韧性、能量吸收、抗压痕性、同向曲率、比强度和比刚度等方面表现出异于一般材料的结构性能。目前拉胀超材料普遍存在的问题包括：
(1)细观结构复杂，制备上存在一定的困难；
(2)多数拉胀超材料的负泊松比效应具有方向依赖性，即材料仅在某些特定的方向上表现出负泊松比效应，或是不同方向的负泊松比效应差异明显，不是各向同性材料。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题之一。为此，本发明提出一种具有各向同性的三维拉胀结构，具有各向同性，在每个方向上都可表现出拉胀效应，且结构简洁，制作较为简单。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具有各向同性的三维拉胀结构，由多个基础单元组成，所述基础单元包括三个大小和结构都相同的星形基础结构和连接支柱，三个所述星形基础结构间两两相互垂直且相交于星形基础结构内凹处，所述连接支柱连接于所述星形基础结构内凹处且向外伸出。
作为上述技术方案的改进，所述星形基础结构内部设置有增强细杆。
作为上述技术方案的进一步改进，所述增强细杆为十字形且连接于所述星形基础结构内凹处。
进一步，所述三维拉胀结构由多个所述基础单元在水平方向和垂直方向堆叠而成，多个所述基础单元间通过连接支柱连接。
进一步，所述三维拉胀结构由3D打印机制备。
进一步，所述三维拉胀结构的材质为PLA耗材。
本发明中一个或多个技术方案至少具有以下有益效果：本发明的其中一个技术方案设计了一种具有各向同性的三维拉胀结构，包括多个基础单元，所述基础单元包括三个大小和结构都相同的星形基础结构和连接支柱，所述星形基础结构间相互垂直且相交于星形基础结构内凹处，所述连接支柱连接于所述星形基础结构内凹处且向外伸出，由于星形基础结构大小相同且相互垂直，结构高度对称，其物理性质不会因方向的不同而有所变化，具有各向同性，在每个方向上都可表现出拉胀效应，且结构简洁，制作较为简单。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明第一实施例中基础单元的结构示意图；
图2是本发明第一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参照图1，本发明的其中一个技术方案设计了一种具有各向同性的三维拉胀结构，由多个基础单元1组成，所述基础单元1包括三个大小和结构都相同的星形基础结构2和连接支柱3，三个所述星形基础结构2间两两相互垂直且相交于星形基础结构2内凹处，所述连接支柱3连接于所述星形基础结构2内凹处且向外伸出。设所述基础单元1在y方向上的长度为L，当结构在y方向承受单向荷载σy和y方向合力为Fy则
在y方向施加位移荷载Δuy时，导致x方向产生位移Δux和z方向产生位移Δuz，易知Δux＝Δuz。则各个方向的等效应变为：
即y方向的等效弹性模量和泊松比为：
因为得出的泊松比为负值，所以可知本三维拉胀超材料在y方向上具有拉胀效应。由于星形基础结构2大小相同且相互垂直，结构高度对称，其物理性质不会因方向的不同而有所变化，具有各向同性，在每个方向上都可表现出拉胀效应，且结构简洁，制作较为简单。
作为上述技术方案的改进，所述星形基础结构2内部设置有增强细杆4。优选地，所述增强细杆4为十字形且连接于多数星形基础结构2内凹处，本发明通过在适当的位置增设细杆，使得星形基础结构2刚度得到增强。进一步，所述三维拉胀结构由所述基础单元1在水平方向和垂直方向堆叠而成，多个所述基础单元1间通过连接支柱3连接。而通过对基础单元1进行有规律的阵列，进而可得到一种宏观刚度增强的拉胀超材料。较一般的拉胀超材料，本拉胀超材料的相对宏观刚度可以达到基体材料10-3数量级，而一般的拉胀超材料的相对宏观刚度约为基体材料的10-6数量级。
进一步，所述三维拉胀结构由3D打印机制备。其中，所述三维拉胀结构的材质为PLA耗材。在3D打印机制备前，先使用Rhinoceros软件对目标细观结构建立模型，随后将该模型文件导入至3D软件进行切片并传输至3D打印机打印出目标材料。
以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (6)
1.一种具有各向同性的三维拉胀结构，其特征在于：由多个基础单元组成，所述基础单元包括三个大小和结构都相同的星形基础结构和连接支柱，三个所述星形基础结构间两两相互垂直且相交于星形基础结构内凹处，所述连接支柱连接于所述星形基础结构内凹处且向外伸出。
2.根据权利要求1所述的具有各向同性的三维拉胀结构，其特征在于：所述星形基础结构内部设置有增强细杆。
3.根据权利要求2所述的具有各向同性的三维拉胀结构，其特征在于：所述增强细杆为十字形且连接于所述星形基础结构内凹处。
4.根据权利要求1所述的具有各向同性的三维拉胀结构，其特征在于：所述三维拉胀结构由多个所述基础单元在水平方向和垂直方向堆叠而成，多个所述基础单元间通过所述连接支柱连接。
5.根据权利要求1所述的具有各向同性的三维拉胀结构，其特征在于：所述三维拉胀结构由3D打印机制备。
6.根据权利要求1所述的具有各向同性的三维拉胀结构，其特征在于：所述三维拉胀结构的材质包括PLA耗材。
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