CN109918802A - 一种由二维到三维的负泊松比效应模型的设计方法 - Google Patents

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CN109918802A CN201910188283.XA CN201910188283A CN109918802A CN 109918802 A CN109918802 A CN 109918802A CN 201910188283 A CN201910188283 A CN 201910188283A CN 109918802 A CN109918802 A CN 109918802A
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王鑫源
任鑫
韩传镇
王仕龙
张相玉
钱程
苟若雅
史雨桐
韦文俊
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Abstract

本发明公开了一种由二维到三维的负泊松比效应模型的设计方法，三维模型具有负泊松比效应的关键是转换前的二维模型具有负泊松比效应。简要操作步骤为：首先，在相关软件中建立一个具有负泊松比效应的二维模型；然后，将该模型绕平行于平面直角坐标系X轴或Y轴的直线旋转0°到360°之间的任意角度从而生成三维模型，该三维模型具有负泊松比效应，设计时应当注意所建的二维模型需具有负泊松比效应。最后，将此三维模型与3D打印技术结合制备实体。本发明方法设计出的三维模型被证明具有负泊松比效应且将具有极其深远的影响。

Description

一种由二维到三维的负泊松比效应模型的设计方法
技术领域
本发明涉及一种由二维到三维的负泊松比效应模型的设计方法，属于新型结构设计领域。
背景技术
负泊松比材料和结构具有特殊的力学特性，不同于传统材料的压胀拉缩，负泊松比材料在单轴压力(拉力)的作用下发生横向收缩(膨胀)。负泊松比材料剪切模量大、良好的断裂韧性、疲劳耐久性好、吸能效率高和不易产生凹痕等特性比传统材料更具优势。因此，负泊松比材料在医疗设备、传感器、防护设备、土木工程、航空航海及国防工程等领域的应用前景越来越广阔。近年来，越来越多的研究者投身于负泊松比材料的相关研究中。
负泊松比材料是近年发展起来的一种新型材料。然而，对于制备三维负泊松比材料和结构的研究仍然较少。大多数三维负泊松比材料为多孔结构，其内部结构复杂。过去制造技术的落后，导致真正运用于实际的三维负泊松比材料很少。3D打印技术的出现很好的解决了这个问题。利用这一新技术，可以打印较为复杂的三维负泊松比材料和结构。将本发明和先进的3D打印技术相结合生产出具有负泊松比效应的三维实体，具有现实意义。
如今具有负泊松比效应的三维模型较少，且制作方法较为复杂。受此启发，发明人提出一种由二维到三维的负泊松比效应模型的设计方法。其操作简单。本发明可与3D打印制造工艺相结合，设计和制作具有负泊松比效应的三维实体，其能在拉伸和压缩应变下均表现出负泊松比特性。与目前建立具有负泊松比效应的三维模型的方法相比，本发明操作简单、有更高的普适性，具有非常重要的科学意义和极高的应用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有三维负泊松比模型较少的现状，设计出一种将具有负泊松比效应的二维模型转化为三维模型的方法，该方法比目前建立具有负泊松比效应的三维模型的方法更简单、易懂，并具有更高的普适性和更加深远的影响。
本发明采用的技术方案为：一种由二维到三维的负泊松比效应模型的设计方法，包括以下步骤：
1)根据需要建立在坐标轴的X和Y方向上具有负泊松比效应的二维模型，所述二维模型为轴对称模型；
2)依据目标三维模型的形状确定旋转轴L的位置，并将其绕旋转轴L旋转0度到360度之间的任意角度；
所述二维模型绕平行于Y轴的旋转轴L旋转；
所述旋转轴L与对称轴的距离D满足：D≥0；
所述二维模型绕旋转轴旋转角度θ满足：360°≥θ＞0°；
所述旋转轴L的方程表示为：x＝a；
所述二维模型上任意一点(x0,y0)经旋转后的三维坐标为(a+(x0-a)cosθ,(x0-a)sinθ,y0),其路径为一条圆弧；
所述方法所形成的三维模型为空心或实心的扇形柱体或圆柱；
3)用所述方法所生成的三维模型在承受单轴拉伸和压缩时具有负泊松比效应。
4)将所述三维模型与3D打印技术结合制备实体。
本发明生成的三维模型产生负泊松比效应的关键在于转换前的二维模型具有负泊松比效应。在满足3D打印制作要求的情况下，可以使打印出的三维实体具有负泊松比效应。通过该方法能设计出的三维实体具有明显的负泊松比效应，同时能在大的应变范围内维持负泊松比性能。此外，所设计的三维模型不仅能在轴向拉伸下表现出负泊松比性能，同时在轴向压缩的情况下也能表现负泊松比性能。
有益效果：本发明利用该方法设计出的三维模型具有较大的负泊松比效应且能同时在轴向压缩和拉伸下表现出负泊松比效应。该方法操作简单、容易理解，且具有普适性。目前建立具有负泊松比效应的三维模型的方法较为复杂，本发明提出的设计方法具有操作简单、容易理解、适用范围广等特点，更好地适应实际应用的需求。
附图说明
图1为具有负泊松比效应的二维模型示意图；
图2为所形成的三维模型的正视图；
图3为所形成的三维模型的俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步描述：
如图1和2所示，一种由二维到三维的负泊松比效应模型的设计方法，包括在X和Y方向上具有负泊松比效应的二维模型和旋转轴L；
所述方法的二维模型绕平行于Y轴的旋转轴旋转。
所述方法的旋转轴L与二维模型的距离D满足：D≥0。
所述方法的二维模型绕旋转轴旋转角度θ满足：360°≥θ＞0°。
所述方法的旋转轴L的方程表示为：x＝a。
所述方法的二维模型上任意一点(x0,y0)经旋转后的三维坐标为(a+(x0-a)cosθ,(x0-a)sinθ,y0),其路径为一条圆弧。
所述方法所形成的三维模型为空心或实心的扇形柱体或圆柱。
上述一种由二维到三维的负泊松比效应模型的设计方法的设计详细步骤为：
1、根据所需三维模型建立在X和Y方向上具有负泊松比效应的二维模型；
2、根据所需三维模型的形状确定旋转轴的位置，并将其绕旋转轴旋转0度到360度之间的任意角度；
3、用此方法所生成的三维模型在承受单轴拉伸和压缩时具有负泊松比效应。
4、将此三维模型与3D打印技术结合制备实体。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种由二维到三维的负泊松比效应模型的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)根据需要建立在坐标轴的X和Y方向上具有负泊松比效应的二维模型，所述二维模型为轴对称模型；
2)依据目标三维模型的形状确定旋转轴L的位置，并将其绕旋转轴L旋转0度到360度之间的任意角度；
所述二维模型绕平行于Y轴的旋转轴L旋转；
所述旋转轴L与对称轴的距离D满足：D≥0；
所述二维模型绕旋转轴旋转角度θ满足：360°≥θ＞0°；
所述旋转轴L的方程表示为：x＝a；
所述二维模型上任意一点(x0,y0)经旋转后的三维坐标为(a+(x0-a)cosθ,(x0-a)sinθ,y0),其路径为一条圆弧；
所述方法所形成的三维模型为空心或实心的扇形柱体或圆柱；
3)用所述方法所生成的三维模型在承受单轴拉伸和压缩时具有负泊松比效应。
4)将所述三维模型与3D打印技术结合制备实体。
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