CN109858167A - 一种具有零泊松比的三维超材料结构 - Google Patents

一种具有零泊松比的三维超材料结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有零泊松比的三维超材料结构，由多个基础单元组成，所述基础单元包括两个大小和结构都相同的压缩单元，所述压缩单元包括连接支柱和侧部支撑柱，所述侧部支撑柱固定于所述连接支柱中点上，所述侧部支撑柱包括两个以一定角度相交的第一斜边和第二斜边，所述两个压缩单元纵向相互垂直。本发明技术方案中的细观结构是三维结构，结构简单，而且本细观结构所组合得出的零泊松比超材料具备三个方向的零泊松比效应，即使在不同方向施加一定的位移荷载，均仍可保持零泊松比效应。故本超材料适用性更广，可以更加灵活地应用于不同的部位。

Description

一种具有零泊松比的三维超材料结构
技术领域
本发明涉及超材料领域，特别是一种具有零泊松比的三维超材料结构。
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。
当泊松比为零时，表示该材料在受拉(或受压)下，垂直荷载方向的应变并没有发生变化。即材料除受载方向外，其他的各个方向并没有发生变形，也就是所说的“零泊松比效应”。具备该种效应的材料十分适用于在外力作用时，对非受载方向下的变形比较敏感甚至不允许发生变形的情况。除此之外，零泊松比超材料通常具备蜂窝结构，故其在能量吸收、比强度、比刚度等方面表现出优于一般材料的结构性能。
目前零泊松比超材料普遍存在的问题是：
(1)细观结构复杂，制备上存在一定的困难；
(2)部分零泊松比超材料仍是二维结构；
(3)二维结构的零泊松比超材料通常只有一个方向存在零泊松比效应。
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零泊松比的三维超材料结构，具备三个方向的零泊松比效应，适用性更广，可以更加灵活地应用于不同的部位。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具有零泊松比的三维超材料结构，由多个基础单元组成，所述基础单元包括两个大小和结构都相同的压缩单元，所述压缩单元包括连接支柱和侧部支撑柱，所述侧部支撑柱固定于所述连接支柱中点上，所述侧部支撑柱包括互成夹角的第一斜边和第二斜边，所述两个压缩单元纵向相互垂直。
作为上述技术方案的改进，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。
作为上述技术方案的进一步改进，多个所述基础单元间通过所述连接支柱连接。
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包括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包括一种具有零泊松比的三维超材料结构，由多个基础单元组成，所述基础单元包括两个大小和结构都相同的压缩单元，所述压缩单元包括连接支柱和侧部支撑柱，所述侧部支撑柱固定于所述连接支柱中点上，所述侧部支撑柱包括两个以一定角度相交的第一斜边和第二斜边，所述两个压缩单元纵向相互垂直。本发明技术方案中的细观结构是三维结构，结构简单，而且本细观结构所组合得出的零泊松比超材料具备三个方向的零泊松比效应，即使在不同方向施加一定的位移荷载，均仍可保持零泊松比效应。故本超材料适用性更广，可以更加灵活地应用于不同的部位。
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是本发明实施例的基本结构的示意图；
图2是本发明实施例的宏观结构的示意图；
图3是本发明实施例的Z方向压缩前的示意图；
图4是本发明实施例的Z方向压缩后的示意图；
图5是本发明实施例的Y方向压缩前的示意图；
图6是本发明实施例的Y方向压缩后的示意图。
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，本发明的一种具有零泊松比的三维超材料结构，由多个基础单元1组成，所述基础单元1包括两个大小和结构都相同的压缩单元6，所述压缩单元6包括连接支柱2和侧部支撑柱3，所述侧部支撑柱3固定于所述连接支柱2中点上，所述侧部支撑柱3包括互成夹角的第一斜边4和第二斜边5，所述两个压缩单元6纵向相互垂直。若对Z方向进行单轴压缩等效弹性性能的分析，假设结构在 Z方向承受单向荷载σz和Z方向合力为Fz，则：
若在Z方向施加位移荷载Δuz，则X方向将产生位移Δux和Y方向将产生位移Δuy，由对称性易知Δux＝Δuy。故各个方向的等效应变为：
即Z方向的等效弹性模量和泊松比为：
使用ABAQUS有限元软件进行分析，有限元模型采用C3D10单元, 基体材料采用弹性模量为1927Mpa和泊松比为0.38的线性模型。细观结构的连接支柱2长度为20mm，第一斜杆4和第二斜杆5长度各位10mm，倾斜角度60°。
分别对模型在Z方向和Y方向施加一定的位移荷载。从分析结果可知，在施加Z方向的位移荷载后，模型的两侧面(Y-Z面、X-Z面) 并未发生变形(图3、图4)，存在零泊松比效应。在施加Y方向的位移荷载后，模型的两侧面(X-Y面、Y-Z面)同样未发生变形(图5、图6)，存在零泊松比效应。由对称性可知，X方向施加位移荷载后，同样存在零泊松比效应。故本发明的零泊松比超材料存在三个方向的零泊松比效应。
作为上述技术方案的改进，所述三维拉胀结构由多个所述基础单元1在水平方向和垂直方向堆叠而成。通过对基础单元进行有规律的阵列，进而可得到一种三个方向均具备零泊松比的三维超材料。
作为上述技术方案的进一步改进，多个所述基础单元间通过所述连接支柱2连接，结构稳定可靠。
进一步，所述三维拉胀结构由3D打印机制备，所述三维拉胀结构的材质包括PLA耗材，本发明实施例中所表现出的零泊松比效应与组成该细观结构的基体材料特性无关，制备简单，成本较低。
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 (5)

1.一种具有零泊松比的三维超材料结构，其特征在于：由多个基础单元组成，所述基础单元包括两个大小和结构都相同的压缩单元，所述压缩单元包括连接支柱和侧部支撑柱，所述侧部支撑柱两端固定于所述连接支柱中点上，所述侧部支撑柱包括互成夹角的第一斜边和第二斜边，所述两个压缩单元纵向相互垂直。
2.根据权利要求1所述的具有零泊松比的三维超材料结构，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。
3.根据权利要求1所述的具有零泊松比的三维超材料结构，其特征在于：多个所述基础单元间通过所述连接支柱连接。
4.根据权利要求1所述的具有零泊松比的三维超材料结构，其特征在于：所述三维拉胀结构由3D打印机制备。
5.根据权利要求1所述的具有零泊松比的三维超材料结构，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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