CN110851951A - 在三个主方向具有等效弹性性能的三维零泊松比蜂窝结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在三个主方向具有等效弹性性能的三维零泊松比蜂窝结构，括正六面体基础单元，所述正六面体基础单元由六个大小与结构都相同的二维内凹八边型的星型结构围成，三维零泊松比蜂窝结构具有三维结构，且在三个主轴方向上均具备零泊松比效应和相同的等效弹形模量，结构简单，制备方便，应用范围更加广阔。
Description
技术领域
本发明涉及超材料领域，特别涉及一种在三个主方向具有等效弹性性能的三维零泊松比蜂窝结构。
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。
目前零泊松比超材料普遍存在的问题：
(1)零泊松比超材料多见于二维结构，三维的零泊松比超材料种类不多；
(2)细观结构复杂，制备上存在一定的困难；
(3)目前三维零泊松比的结构有些只有一个方向呈现出零泊松比效应，较少三个方向皆呈现零泊松比效应，在三个主方向具有等效弹性模量的零泊松比结构更为少见。
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，本发明提出一种在三个主方向具有等效弹性性能的三维零泊松比蜂窝结构，作为三维材料，在三个主轴方向上均具备零泊松比效应和相同的等效弹形模量，应用范围更加广阔。
根据本发明的第一方面实施例的在三个主方向具有等效弹性性能的三维零泊松比蜂窝结构，括正六面体基础单元，所述正六面体基础单元由六个大小与结构都相同的二维内凹八边型的星型结构围成。
根据本发明实施例的在三个主方向具有等效弹性性能的三维零泊松比蜂窝结构，至少具有如下有益效果：具有三维结构，且在三个主轴方向上均具备零泊松比效应和相同的等效弹形模量，结构简单，制备方便，应用范围更加广阔。
根据本发明的一些实施例，所述星型结构之间两两垂直，结构稳固，保证了三个主轴方向上的零泊松比效应和相同的等效弹形模量。
根据本发明的一些实施例，所述三维零泊松比蜂窝结构由若干正六面体基础单元组成。
根据本发明的一些实施例，所述三维零泊松比蜂窝结构由若干正六面体基础单元在水平方向和垂直方向堆叠而成，多个正六面体基础单元同时受压，保证了三维零泊松比蜂窝结构整体的在各个方向上的零泊松比效应，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，所述三维零泊松比蜂窝结构由3D打印机制备，制备简单，成本较低。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
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为本发明实施例的正六面体基础单元的结构示意图；
图2为图1示出的正六面体基础单元星型结构的结构示意图；
图3为本发明实施例的在Y方向上受力前YX面的结构示意图；
图4为本发明实施例的在Y方向上受力后YX面的结构示意图。
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，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，本发明的第一方面实施例的在三个主方向具有等效弹性性能的三维零泊松比蜂窝结构，括正六面体基础单元100，所述正六面体基础单元100由六个大小与结构都相同的二维内凹八边型的星型结构110围成。
参照图2，其中星型结构110的几何参数分别为细杆长度l、细杆之间的角度θ和细杆截面尺寸为t×t。由于这种正六面体基础单元100在三个主方向所处平面高度对称，所以可以在各个方向表现出相同性质。
由于对称性，各个方向的等效弹性性能一致，取一个方向进行分析即可。取正六面体基础单元100的1/8结构进行分析，若取单轴压缩的主方向为Y方向，而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
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：
当正六面体基础单元100收到Y方向荷载时，只有斜杆中部结点会发生横向位移，而六面体的角点不会发生横向位移，所以横向应变为0，因此各个方向的等效泊松比为0。三维零泊松比蜂窝结构具有三维结构，且在三个主轴方向上均具备零泊松比效应和相同的等效弹形模量，结构简单，制备方便，应用范围更加广阔。
根据本发明的一些实施例，所述星型结构110之间两两垂直，结构稳固，保证了三个主轴方向上的零泊松比效应和相同的等效弹形模量。
根据本发明的一些实施例，所述三维零泊松比蜂窝结构由若干正六面体基础单元100组成。
根据本发明的一些实施例，所述三维零泊松比蜂窝结构由若干正六面体基础单元100在水平方向和垂直方向堆叠而成，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5×5×5的分析模型，基体材料弹性模量为1975MPa，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°,如图3。
在Y方向加以位移荷载，结构X-Y平面变形前后对比图如图3、4所示，由图可以看出在X方向上并没有产生横向变形，而由于结构对称性，其他方向亦是如此。多个正六面体基础单元100同时受压，保证了三维零泊松比蜂窝结构整体的在各个方向上的零泊松比效应，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，所述三维零泊松比蜂窝结构由3D打印机制备。具体地，通过MakerbotReplicatorZ18型FDM原理的3D打印机制备，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 (5)
1.一种在三个主方向具有等效弹性性能的三维零泊松比蜂窝结构，其特征在于：包括正六面体基础单元，所述正六面体基础单元由六个大小与结构都相同的二维内凹八边型的星型结构围成。
2.根据权利要求1所述的三个主方向具有等效弹性性能的三维零泊松比蜂窝结构，其特征在于：所述星型结构之间两两垂直。
3.根据权利要求1或2所述的三个主方向具有等效弹性性能的三维零泊松比蜂窝结构，其特征在于：所述三维零泊松比蜂窝结构由若干正六面体基础单元组成。
4.根据权利要求3所述的三个主方向具有等效弹性性能的三维零泊松比蜂窝结构，其特征在于：所述三维零泊松比蜂窝结构由若干正六面体基础单元在水平方向和垂直方向堆叠而成。
5.根据权利要求1所述的三个主方向具有等效弹性性能的三维零泊松比蜂窝结构，其特征在于：所述三维零泊松比蜂窝结构由3D打印机制备。
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