CN110619189A - 基于星型结构的三维零泊松比细观结构及其宏观结构 - Google Patents

基于星型结构的三维零泊松比细观结构及其宏观结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于星型结构的三维零泊松比细观结构，包括水平单元，包括相互平行布置的一对大小与结构都相同的水平四角星形单元；垂直单元，包括相互平行布置的一对大小与结构都相同的垂直四角星形单元，所述垂直四角星形单元在星形尖端处与所述水平四角星形单元的尖端处连接，所述垂直四角星形单元和与之连接的所述水平四角星形单元相互垂直，并公开了具有基于星型结构的三维零泊松比细观结构的宏观结构，具有三维结构，且三个主轴方向上均具备零泊松比效应，结构简单，便于制备，应用范围更加广阔。

Description

基于星型结构的三维零泊松比细观结构及其宏观结构
技术领域
本发明涉及超材料领域，特别涉及一种基于星型结构的三维零泊松比细观结构及其宏观结构。
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超常泊松比效应。所谓超常泊松比，包括了负泊松比和零泊松比。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)。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一直为零，即它的各个方向均没有变形。
对于零泊松比超材料，目前国内外的文献多见为以二维平面结构为基础，通过在Z方向(即高度方向)进行拉伸从而拓展而成的“伪”三维结构，这种超材料的模型本质上仍可认为是二维结构。而真正三维结构的零泊松比超材料目前并不多见。
目前零泊松比超材料普遍存在的问题：
(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
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于星型结构的三维零泊松比细观结构，具有三维结构，且三个主轴方向上均具备零泊松比效应，结构简单，便于制备，应用范围更加广阔。
本发明还提出一种具有上述基于星型结构的三维零泊松比细观结构的宏观结构。
根据本发明的第一方面实施例的基于星型结构的三维零泊松比细观结构，包括水平单元，包括相互平行布置的一对大小与结构都相同的水平四角星形单元；垂直单元，包括相互平行布置的一对大小与结构都相同的垂直四角星形单元，所述垂直四角星形单元在星形尖端处与所述水平四角星形单元的尖端处连接，所述垂直四角星形单元和与之连接的所述水平四角星形单元相互垂直。
根据本发明实施例的基于星型结构的三维零泊松比细观结构，至少具有如下有益效果：具有三维结构，且三个主轴方向上均具备零泊松比效应，结构简单，便于制备，应用范围更加广阔。
根据本发明的一些实施例，所述水平四角星形单元和所述垂直四角星形单元内部皆设置有十字增强细杆，所述十字增强细杆连接所述水平四角星形单元或所述垂直四角星形单元自身内部的星形内凹处，十字增强细杆顶住星形内凹出，增加星型结构抗压性，可增强了细观结构的刚度。
根据本发明的一些实施例，所述水平四角星形单元和所述垂直四角星形单元内部皆设置有X型增强细杆，所述X型增强细杆连接所述水平四角星形单元或所述垂直四角星形单元自身内部的星形尖端处，X型增强细杆增强了星型结构尖端连接处的刚度，对提升整体刚度起到一定的作用。
根据本发明的一些实施例，所述水平四角星形单元和所述垂直四角星形单元外部设置有外部增强细杆，所述外部增强细杆在所述水平四角星形单元或所述垂直四角星形单元外部连接同一星形单元的星形尖端处，从外部增强了结构的整体刚度。
根据本发明的第二方面实施例的三维零泊松比宏观结构，包括若干上述第一方面实施例所述的基于星型结构的三维零泊松比细观结构。
根据本发明实施例的三维零泊松比宏观结构，至少具有如下有益效果：具有三维结构，且三个主轴方向上均具备零泊松比效应，结构简单，便于制备，应用范围更加广阔。
根据本发明的一些实施例，所述三维零泊松比结构由若干上述第一方面实施例所述的基于星型结构的三维零泊松比细观结构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。
根据本发明的一些实施例，所述三维零泊松比宏观结构由3D打印机制备，制备难度低，过程简便。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明第一方面实施例的结构示意图；
图2为图1中水平四角星形单元的结构示意图；
图3为本发明第一方面实施例中第一实施例的结构示意图；
图4为本发明第一方面实施例中第二实施例的结构示意图；
图5为本发明第一方面实施例中第三实施例的结构示意图；
图6为本发明第二方面实施例结构示意图；
图7为施加Y方向的位移荷载后，第二方面实施例模型在XY方向上的形变；
图8为施加Y方向的位移荷载后，第二方面实施例模型在YZ方向上的形变；
图9为施加Z方向的位移荷载后，第二方面实施例模型在ZX方向上的形变；
图10为施加Y方向的位移荷载后，第二方面实施例模型在ZY方向上的形变；。
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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1，作为本发明的第一方面实施例的基于星型结构的三维零泊松比细观结构，包括水平单元，包括相互平行布置的一对大小与结构都相同的水平四角星形单元100；垂直单元，包括相互平行布置的一对大小与结构都相同的垂直四角星形单元200，所述垂直四角星形单元200在星形尖端处与所述水平四角星形单元100的尖端处连接，所述垂直四角星形单元200和与之连接的所述水平四角星形单元100相互垂直。
任取其中一个水平四角星型单元或垂直四角星形单元如图2所示，定义星型的边长为l，斜边轴线与水平轴线的夹角为θ，斜边的宽度为t，厚度为t/2。
理论分析中，各个方向的定义如图5所示。
取细观结构的1/8结构进行分析，若取单轴压缩的主方向为Y方向，令Y方向的总合力为Fy，则Y方向位移为
其中E0和v0分别为基体材料的杨氏模量和泊松比，而由于杆件截面为矩形截面，查得k＝1.2。
则Y方向应变为
又因为Y方向的主应力为
所以Y方向等效弹性模量表达式为：
由于对称性，模型在X方向和Z方向的等效弹性模量是相同的，故只做X方向加载时的推算。若令X方向加载时的应变与Y方向加载时的相同时，则X方向主应力只有Y方向的一半。即当X方向总合力为FX时，X方向的主应力为
所以X方向等效弹性模量表达式为：
由对称性可知，超材料中各个细观结构的交点处的转角均为0。因此可知在每个细观结构中，XY面、ZY面及ZX面上的细杆有相互独立的变形。在Y方向加载时，YZ面上的细杆在X方向的位移为0，XY面上的细杆在Z方向的位移为0。即Y方向加载时，X、Z方向的应变为0，由此可得泊松比vYX＝vYZ＝0；同理可得，vZX＝vZY＝vXZ＝vXY＝0。
因此本发明第一方面实施例中的基于星型结构的三维零泊松比细观结构在三个主轴方向上均具备零泊松比效应，结构简单，便于制备，应用范围更加广阔。
参照图3，作为本发明的第一实施例，所述水平四角星形单元100和所述垂直四角星形单元200内部皆设置有十字增强细杆300，所述十字增强细杆300连接所述水平四角星形单元100或所述垂直四角星形单元200自身内部的星形内凹处，十字增强细杆300顶住星形内凹出，增加星型结构抗压性，可增强了细观结构的刚度。
参照图4，作为本发明的第二实施例，所述水平四角星形单元100和所述垂直四角星形单元200内部皆设置有X型增强细杆400，所述X型增强细杆400连接所述水平四角星形单元100或所述垂直四角星形单元200自身内部的星形尖端处，X型增强细杆400增强了星型结构尖端连接处的刚度，对提升整体刚度起到一定的作用。
参照图5，作为本发明的第三实施例，所述水平四角星形单元100和所述垂直四角星形单元200外部设置有外部增强细杆500，所述外部增强细杆500在所述水平四角星形单元100或所述垂直四角星形单元200外部连接同一星形单元的星形尖端处，从外部增强了结构的整体刚度。
参照图6，作为本发明的第二方面实施例的三维零泊松比宏观结构，包括若干上述第一方面实施例所述的基于星型结构的三维零泊松比细观结构。
根据本发明实施例的三维零泊松比宏观结构，至少具有如下有益效果：具有三维结构，且三个主轴方向上均具备零泊松比效应，结构简单，便于制备，应用范围更加广阔。
根据本发明的一些实施例，所述三维零泊松比结构由若干上述第一方面实施例所述的基于星型结构的三维零泊松比细观结构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。
具体的，对细观结构分别在横向(X方向)、纵向(Y方向)和高度方向(Z方向)阵列拼接，即可得到本发明中的三维零泊松比超材料(图6)各个方向上阵列拼接的数目并不局限于示意图6中的5阶，可根据实际情况分别在X、Y、Z方向上阵列拼接所需的数量。
通过有限元软件ABAQUS\Standard对模型在弹性范围内进行分析，以B31梁单元建立规模为4×4×4的分析模型，基体材料弹性模量为1975.18MPa，泊松比为0.38。细观结构的杆件l长度为25mm，t为2.5mm，倾斜角度θ为60°。
分别对模型在Y方向和Z方向施加一定的位移荷载。从分析结果可知，在施加Y方向的位移荷载后，模型的两侧面(YX面、YZ面)在X和Z方向上并未发生变形(图7、图8)，故具备零泊松比效应。在施加Z方向的位移荷载后，模型的两侧面(ZX面、ZY面)在X和Y方向上同样未发生变形(图9、图10)，故同具零泊松比效应。由对称性可知，在X方向施加位移荷载与在Y方向施加位移荷载的变形是相同的，即也具备零泊松比效应。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。
根据本发明的一些实施例，所述三维零泊松比宏观结构由3D打印机制备，制备难度低，过程简便。目前通过Makerbot Replicator Z18型FDM原理的3D打印机成功制备本超材料的细观结构，但本超材料的制备并不局限于FDM原理的3D打印机，还可使用其他原理的3D打印机制备出本超材料。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于星型结构的三维零泊松比细观结构，其特征在于：包括
水平单元，包括相互平行布置的一对大小与结构都相同的水平四角星形单元；
垂直单元，包括相互平行布置的一对大小与结构都相同的垂直四角星形单元，所述垂直四角星形单元在星形尖端处与所述水平四角星形单元的尖端处连接，所述垂直四角星形单元和与之连接的所述水平四角星形单元相互垂直。
2.根据权利要求1所述的基于星型结构的三维零泊松比细观结构，其特征在于：所述水平四角星形单元和所述垂直四角星形单元内部皆设置有十字增强细杆，所述十字增强细杆连接所述水平四角星形单元或所述垂直四角星形单元自身内部的星形内凹处。
3.根据权利要求1所述的基于星型结构的三维零泊松比细观结构，其特征在于：所述水平四角星形单元和所述垂直四角星形单元内部皆设置有X型增强细杆，所述X型增强细杆连接所述水平四角星形单元或所述垂直四角星形单元自身内部的星形尖端处。
4.根据权利要求1所述的基于星型结构的三维零泊松比细观结构，其特征在于：所述水平四角星形单元和所述垂直四角星形单元外部设置有外部增强细杆，所述外部增强细杆在所述水平四角星形单元或所述垂直四角星形单元外部连接同一星形单元的星形尖端处。
5.一种三维零泊松比宏观结构，其特征在于：包括若干上述权利要求1-4所述的基于星型结构的三维零泊松比细观结构。
6.根据权利要求5所述的三维零泊松比宏观结构，其特征在于：所述三维零泊松比结构由若干权利要求1-4所述的基于星型结构的三维零泊松比细观结构在水平方向和垂直方向堆叠而成。
7.根据权利要求5所述的三维零泊松比宏观结构，其特征在于：所述三维零泊松比宏观结构由3D打印机制备。
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