CN111379679A - 一种具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料 - Google Patents
一种具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，涉及超材料技术领域，其由若干单胞三维结构通过空间周期阵列得到，所述单胞三维结构包括上下两层完全相同的蜂窝网格单元以及用于连接上下两层蜂窝网格单元的倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆，相邻上下两层蜂窝网格单元平行等距排列且沿形心对齐，相邻上下两层蜂窝网格单元的节点通过所述倾斜等截面直杆错位相连，相邻上下两层蜂窝网格单元的节点通过所述竖向等截面直杆垂直相连，本发明在温度变化大或者温度呈周期性变化的空间环境中作为一种无需外力就能实现往复运动的微型机械中的传感器、执行器。
Description
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，特别涉及一种具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料。
背景技术
超材料是指具有传统材料所不具备的超常物理性质的人造材料，其在吸能耗能、声学、光学、机械性能等方面具有极大的优势。力学超材料是超材料中的一大类，典型的力学超材料是具有负力学参数的材料，如负泊松比，负热膨胀，负刚度等。此外，力学超材料还包括超流体、拓扑材料及具有拉剪效应等的超材料。
热扭耦合效应是一种独特的力学效应，它意味着材料在温度荷载作用下，由于内部的应力分布，将引起某一方向的扭转变形。这一奇特的性质有望在多方面取得应用，如在有交替温差变化的环境下，作为微型机械中的传感设备、执行器等，但现有技术中缺乏一种可用于微型机械中的传感设备的热扭耦合材料。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，其在温度变化大或者温度呈周期性变化的空间环境中作为一种无需外力就能实现往复运动的微型机械中的传感器、执行器。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，由若干单胞三维结构通过空间周期阵列得到，所述单胞三维结构包括上下两层完全相同的蜂窝网格单元以及用于连接上下两层蜂窝网格单元的倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆，所述蜂窝网格单元通过连接韧带在其所在平面上彼此相连，连接韧带的两端与蜂窝网格单元连接形成节点，相邻上下两层蜂窝网格单元平行等距排列且沿形心对齐，相邻上下两层蜂窝网格单元的节点通过所述倾斜等截面直杆错位相连，相邻上下两层蜂窝网格单元的节点通过所述竖向等截面直杆垂直相连，上下两层蜂窝网格单元连接的倾斜等截面直杆数量和竖向等截面直杆数量均与单个蜂窝网格单元的节点数量相同，若干所述倾斜等截面直杆与所述蜂窝网格单元所在平面呈相同倾斜角并形成一致的扭转方向，所述蜂窝网格单元、倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆分别由热膨胀系数不同的至少两种材料构成。
如上所述具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，进一步地，所述蜂窝网格单元为方形环，相邻方环通过两条相互平行的连接韧带彼此相连于节点，，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆的数量均为4，倾斜等截面直杆将相邻两层方形环的节点交错相连，竖向等截面直杆将相邻两层方形环的节点垂直相连，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆分别由热膨胀系数不同的两种材料构成，方环和连接韧带由上述两种材料之中的一种构成或由第三种材料构成。
如上所述具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，进一步地，所述单胞三维结构没有竖向等截面直杆，倾斜等截面直杆和方形环分别由热膨胀系数不同的两种材料构成。
如上所述具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，进一步地，所述蜂窝网格单元为圆环，三条连接韧带沿圆环周向等角度连接在圆环上，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆的数量均为3，倾斜等截面直杆将相邻两层圆环的节点交错相连，竖向等截面直杆将相邻两层圆环的节点垂直相连，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆分别由热膨胀系数不同的两种材料构成，圆环和连接韧带由上述两种材料之中的一种构成，或由第三种材料构成。
如上所述具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，进一步地，所述蜂窝网格单元为方形环，四连接韧带分别连接在方形环的四个节点，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆的数量均为4，倾斜等截面直杆将相邻两层方形环的节点交错相连，竖向等截面直杆将相邻两层方形环的节点垂直相连，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆分别由热膨胀系数不同的两种材料构成，方形环和连接韧带由上述两种材料之中的一种构成，或由第三种材料构成。
如上所述具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，进一步地，所述蜂窝网格单元为圆环，六连接韧带沿圆环周向等角度连接在圆环上，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆的数量均为 6，倾斜等截面直杆将相邻两层圆环的节点交错相连，竖向等截面直杆将相邻两层圆环的节点垂直相连，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆分别由热膨胀系数不同的两种材料构成，圆环和连接韧带由上述两种材料之中的一种构成，或由第三种材料构成。
如上所述具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，进一步地，热膨胀系数不同的材料包括金属、高分子材料、复合材料或者树脂类材料。
如上所述具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，进一步地，所述竖向等截面直杆、蜂窝网格单元、连接韧带的采用的材料的热膨胀系数都大。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明通过在上下两层完全相同的蜂窝网格单元之间设置倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆，由于蜂窝网格单元、倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆分别由热膨胀系数不同的两种材料构成，因此该材料在温度变化时，会由于在倾斜直杆和竖向直杆内产生的热应力带动蜂窝网格单元旋转，进而产生热扭耦合效应，本发明经数值仿真分析表明具有较为显著的热扭耦合效应，可在温度变化大或者温度呈周期性变化的空间环境中作为一种无需外力就能实现往复运动的微型机械中的传感器、执行器等。
附图说明
图1是本发明的实施例1的三维热扭结构的示意图；
图2是图1的三维热扭结构的单胞三维结构示意图；
图3是本发明的实施例2的结构示意图；
图4是本发明的实施例3的结构示意图；
图5是本发明的实施例4的结构示意图；
图6使本发明的实施例5的结构示意图；
图7是本发明实施例1的数值仿真分析图，其中，图7(a)表示随着倾斜角的增加，结构的扭转角的变化情况，图7(b)表示随着横向胞元数的增加，结构的扭转角的变化情况。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，一种具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，由单胞三维结构空间阵列得到，所述单胞三维结构通过在两个完全相同的方形网状单元之间增加倾斜等截面直杆(以下简称倾斜直杆)和竖向等截面直杆(以下简称竖向直杆)得到，所述单胞三维结构如图2所示，相邻两层完全相同的方形网状单元平行等距排列，且方形环沿形心对齐，倾斜直杆和竖向直杆将相邻两层对齐的方形环节点两两相连，从而形成一个三维空间结构，其中每对方形环之间连接四根完全相同的倾斜直杆以及四根完全相同的竖向直杆。这四根倾斜直杆组成一组并形成一个扭转方向，每组倾斜直杆形成的扭转方向完全相同。倾斜直杆和竖向直杆分别由热膨胀系数有显著差别的二种材料构成，方形环及韧带由以上二种材料之中的一种构成，或由第三种材料构成。这种单胞三维结构在温度变化时，由于两组材料的热膨胀变形不一致，单胞三维结构内部的竖向直杆和倾斜直杆内部产生相反的轴力，从而推动相邻两层方形环之间出现相对扭转。由于每组倾斜直杆的旋转方向相同，产生的扭转方向也相同，因此这些扭转会在垂直方形环的方向上叠加传递，进而使整个单胞三维结构整体产生热扭耦合效应。如果单胞三维结构由同一种材料制备，在温度变化时不会出现热扭耦合效应。最优选的情况是：竖向直杆与蜂窝网格单元、连接韧带用同一种材料，倾斜直杆用另一种热膨胀系数的材料，此时单胞三维结构的热扭效应会显著提升。其原理是：假如倾斜直杆的热膨胀系数大(小)，则在温度升高时，竖向直杆内部产生拉力(压力)，该力使整个结构沿竖向有收缩(拉伸) 的趋势，这就相当于受压(受拉)，使单胞三维结构产生转角，这一转角与无竖向直杆时的热扭转方向相同，因而两个因素的共同作用会使扭转角增加。如果倾斜直杆与蜂窝网格单元的材料相同，而竖向直杆采用另一种材料，虽也会导致热扭效应，但导致扭转的因素只有竖向直杆的拉或压，倾斜直杆本身不会因温度变化而产生扭转的贡献。
使用ANSYS软件对一系列m×m×n的多胞结构进行数值仿真分析，其中m＝1，2，3，5，7，n＝ 8。使用的两种材料为耐高温树脂(HTL)和透明树脂(CR)，其弹性模量为EHTL＝4.2GPa，ECR＝ 1.5GPa，热膨胀系数分别为αHTL＝4.75×10-5K-1，αCR＝9.56×10-5K-1。倾斜直杆由耐高温树脂构成，竖向直杆由透明树脂构成。结构的几何参数为：方形环边长a＝4mm，倾斜直杆与方形环的夹角为θ＝20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°，方形环与倾斜直杆和竖向直杆的截面均为正方形，截面边长为b＝0.5mm，相邻两层方形网状单元之间的距离为h＝4*tanθ。结构底面固定，顶面轴向位移及扭转角耦合，温度由20°升到50°。数值仿真分析结果可以观察到本材料的热扭耦合效应。由图7(a)可以看出，随着倾斜角的增加，结构的扭转角增大。由图7 (b)可以看出，随着横向胞元数的增加，结构的扭转角减小。
实施例2
参照实施例1，不同之处在于，上下两层间连接的只有倾斜直杆(如图3所示)。所述单胞三维结构中，相邻两层完全相同的方形网状单元等距排列，且方形环沿形心对齐，倾斜直杆将相邻两层对齐的方形环节点两两相连，从而形成一个空间三维结构，这四根倾斜直杆组成一组并形成一个扭转方向，每组倾斜直杆组成的旋转方向完全相同。
倾斜直杆、方形环及韧带分别由热膨胀系数有显著差别的二种材料构成。这种结构在温度变化时，由于两组材料的热膨胀变形不一致，结构内部倾斜直杆产生轴力，从而推动相邻两层方形网状单元之间出现相对扭转，虽然在没有竖向直杆仍会会产生热扭效应，但扭转角会很小，在相邻两层方形网状单元加上竖向直杆并且竖向直杆与倾斜直杆的热膨胀系数不同，则热扭转角显著增加，其原理是：在温度升高时，竖向直杆内部产生拉力，该拉力使整个单胞三维结构有收缩的趋势(相当于受压)，使单胞三维结构产生转角，这一转角与无竖向直杆时的热扭转方向相同，因而两个因素的共同作用会使扭转角增加。由于每组倾斜直杆的旋转方向相同，产生的扭转方向也相同，因此这些扭转会在垂直于蜂窝单元的方向上叠加传递，进而使结构整体产生热扭耦合效应。
实施例3
参照实施例1，不同之处在于，所述蜂窝网格单元为圆环(如图4)，此外也可以替换成三角形环或六边形环，三连接韧带沿圆环周向等角度连接在圆环上且连接韧带与圆环相切，层间连接的倾斜直杆和竖向直杆数替换成3条。所述单胞三维结构中，相邻上下两层完全相同的蜂窝网格单元平行等距排列且沿环心对齐，倾斜直杆和竖向直杆将相邻两层对齐的圆环节点两两相连，从而形成一个空间三维结构，其中每对圆环之间连接三根完全相同的倾斜等截面直杆和三根完全相同的竖向等截面直杆。这三根倾斜直杆组成一组并形成一个旋转方向，每组倾斜直杆组成的旋转方向完全相同。
竖向直杆和倾斜直杆分别由热膨胀系数有显著差别的二种材料构成，圆环及韧带由以上二种材料之中的一种构成，也可由第三种材料构成。这种结构在温度变化时，由于两组材料的热膨胀变形不一致，结构内部竖向直杆和倾斜直杆内部产生相反的轴力，从而推动相邻两层蜂窝单元之间出现相对扭转。由于每组倾斜直杆的旋转方向相同，产生的扭转方向也相同，因此这些扭转会在垂直于蜂窝单元的方向上叠加传递，进而使结构整体产生热扭耦合效应。
实施例4
参考实施例1，不同之处在于，所述蜂窝网格单元为方形环(如图5)，四连接韧带分别连接在方形环的四个节点且连接韧带与方形环对应的对角边垂直，形成四韧带手性蜂窝单元，层间连接的倾斜直杆和竖向直杆数各为4条。所述单胞三维结构中，相邻两层完全相同的四韧带手性蜂窝单元的方环之间增加倾斜直杆和竖向直杆实现，所述单胞三维结构中，相邻两层完全相同的四韧带手性蜂窝单元平行等距排列，且手性蜂窝单元方环沿形心对齐，倾斜直杆和竖向直杆将相邻两层对应的方环节点两两相连，从而形成一个三维空间结构，其中每对方环之间连接四根完全相同的倾斜等截面直杆和四根完全相同的竖向等截面直杆。这四根倾斜杆组成一组并形成一个旋转方向，每组倾斜杆的旋转方向完全相同。
竖向直杆和倾斜直杆分别由热膨胀系数有显著差别的二种材料构成，四韧带手性蜂窝单元由以上二种材料之中的一种构成，也可由第三种材料构成。这种结构在温度变化时，由于两组材料的热膨胀变形不一致，结构内部竖向直杆和倾斜直杆内部产生相反的轴力，从而推动相邻两层蜂窝单元之间出现相对扭转。由于每组倾斜直杆的旋转方向相同，产生的扭转方向也相同，因此这些扭转会在垂直于蜂窝单元的方向上叠加传递，进而使结构整体产生热扭耦合效应。
实施例5
参照实施例1，不同之处在于，所述蜂窝网格单元为圆环(如图6)或六边形环，六连接韧带沿圆环周向等角度连接在圆环上且连接韧带与圆环相切，形成六韧带手性蜂窝单元，层间连接的倾斜直杆和竖向直杆数各为6条。所述单胞三维结构中，相邻两层完全相同的圆环或六边形环平行等距排列，且圆环或六边形环沿形心对齐，倾斜直杆和竖向直杆将相邻两层对应的六角形环节点两两相连，从而形成一个空间三维结构，其中上下两层圆环或六角形环之间连接六根完全相同的倾斜等截面直杆及六根完全相同的竖向等截面直杆。这六根倾斜杆组成一组并形成一个旋转方向，每组倾斜杆形成的旋转方向完全相同。
倾斜直杆和竖向直杆分别由两种热膨胀系数有显著差别大的二种材料构成，六韧带手性蜂窝单元由以上二种材料之中的一种构成，也可由第三种材料构成。这种结构在温度变化时，由于两组材料的热膨胀变形不一致，结构内部竖向直杆和倾斜直杆内部产生相反的轴力，从而推动相邻两层蜂窝单元之间出现相对扭转。由于每组倾斜直杆的旋转方向相同，产生的扭转方向也相同，因此这些扭转会在垂直于蜂窝单元的方向上叠加传递，进而使结构整体产生热扭耦合效应。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，其特征在于，由若干单胞三维结构通过空间周期阵列得到，所述单胞三维结构包括上下两层完全相同的蜂窝网格单元以及用于连接上下两层蜂窝网格单元的倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆，所述蜂窝网格单元通过连接韧带在其所在平面上彼此相连，连接韧带的两端与蜂窝网格单元连接形成节点，相邻上下两层蜂窝网格单元平行等距排列且沿形心对齐，相邻上下两层蜂窝网格单元的节点通过所述倾斜等截面直杆错位相连，相邻上下两层蜂窝网格单元的节点通过所述竖向等截面直杆垂直相连，上下两层蜂窝网格单元连接的倾斜等截面直杆数量和竖向等截面直杆数量均与单个蜂窝网格单元的节点数量相同，若干所述倾斜等截面直杆与所述蜂窝网格单元所在平面呈相同倾斜角并形成一致的扭转方向，所述蜂窝网格单元、连接韧带、倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆分别由热膨胀系数不同的至少两种材料构成。
2.根据权利要求1所述具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，其特征在于，所述蜂窝网格单元为方形环，相邻方环通过两条相互平行的连接韧带彼此相连于节点，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆的数量均为4，倾斜等截面直杆将相邻两层方形环的节点交错相连，竖向等截面直杆将相邻两层方形环的节点垂直相连，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆分别由热膨胀系数不同的两种材料构成，方环和连接韧带由上述两种材料之中的一种构成，也可或由第三种材料构成。
3.根据权利要求2所述具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，其特征在于，所述单胞三维结构没有竖向等截面直杆，倾斜等截面直杆和方形环分别由热膨胀系数不同的两种材料构成。
4.根据权利要求1所述具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，其特征在于，所述蜂窝网格单元为圆环，三条连接韧带沿圆环周向等角度连接在圆环上，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆的数量均为3，倾斜等截面直杆将相邻两层圆环的节点交错相连，竖向等截面直杆将相邻两层圆环的节点垂直相连，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆分别由热膨胀系数不同的两种材料构成，圆环和连接韧带由上述两种材料之中的一种构成，或由第三种材料构成。
5.根据权利要求1所述具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，其特征在于，所述蜂窝网格单元为方形环，四连接韧带分别连接在方形环的四个节点，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆的数量均为4，倾斜等截面直杆将相邻两层方形环的节点交错相连，竖向等截面直杆将相邻两层方形环的节点垂直相连，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆分别由热膨胀系数不同的两种材料构成，方形环和连接韧带由上述两种材料之中的一种构成，或由第三种材料构成。
6.根据权利要求1所述具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，其特征在于，所述蜂窝网格单元为圆环，六连接韧带沿圆环周向等角度连接在圆环上，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆的数量均为6，倾斜等截面直杆将相邻两层圆环的节点交错相连，竖向等截面直杆将相邻两层圆环的节点垂直相连，倾斜等截面直杆和竖向等截面直杆分别由热膨胀系数不同的两种材料构成，圆环和连接韧带由上述两种材料之中的一种构成，或由第三种材料构成。
7.根据权利要求1至6任一所述的具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，其特征在于，热膨胀系数不同的材料包括金属、高分子材料、复合材料或者树脂类材料。
8.根据权利要求1至6任一所述的具有局部热扭耦合效应的三维多胞材料，其特征在于，所述竖向等截面直杆、蜂窝网格单元、连接韧带采用同一种材料，倾斜等截面直杆采用另一种材料。
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