CN111859487B - 基于曲率设计的三维可控拉胀结构与材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于结构优化和材料技术领域，具体涉及一种基于曲率设计的三维可控拉胀结构与材料。所述三维可控拉胀结构是由若干3D单胞结构在三维空间内周期排列连接而成的立体结构；所述立体结构表现出负泊松比效应；所述3D单胞结构是由不同尺寸的直杆和一定曲率的弯曲杆件组成的结构单元，或所述3D单胞结构是全部由一定曲率的弯曲杆件组成的结构单元；所述3D单胞结构具有空间平移对称性。本发明针对目前三维负泊松比结构与材料存在应力集中和构型单一的问题，提供了一种可设计性好、性能可控性强、应力集中小、强度高的拉胀结构与材料。

Description

基于曲率设计的三维可控拉胀结构与材料

技术领域

本发明属于结构优化和材料技术领域，具体涉及一种基于曲率设计的三维可控拉胀结构与材料。

背景技术

随着工程技术对轻质、高强材料需求的日益增加，使得周期性有序点阵材料应运而生，这种点阵结构的设计可以使材料表现出不寻常或前所未有的物理和机械特性，也被称为超构材料。作为力学超构材料重要的一类，拉胀超构材料由于人工独特的结构设计，而呈现出拉胀效应(也称负泊松比效应)，即具有在拉伸载荷下膨胀，压缩载荷下收缩的力学特性，这种反常的“拉胀”行为使其表现出一系列更加优异的力学和物理特性，如更高的能量吸收本领、阻尼特性、剪切模量、压痕阻力、断裂韧性等优良的力学性能，同时可以通过改变单胞的构型，内部填充等实现力学、声学和电学等性能的调控，这些优异的特性均使拉胀材料和结构在航空航天、交通、阻尼减振、传感器、生物医学等领域具有广阔的应用前景，已成为世界各国材料研究的前沿领域。

泊松比的定义为弹性体在受到纵向拉伸时，横向收缩应变与纵向伸长应变的比值的负值。自然界的材料，泊松比大部分都在0.3～0.5之间，负泊松比材料在自然界存在较少，20世纪早期研究者发现黄铁矿，砷、镉等少数材料可在低应变下表现出负泊松比效应。但作为一种可设计性材料的概念，直到20世纪80年代才由Lakes提出，并首次制备了具有负泊松比性质的泡沫聚氨酯材料。20世纪90年代后Evans等人把这种具有负泊松比性质的材料命名为拉胀胞状材料(以下简称拉胀材料)，此后人们对拉胀材料才有了正确认识，具有多孔结构的拉胀材料才不断被设计、合成与制备，尺度涵盖了微观分子到宏观结构范围，其特殊的力学性能使拉胀材料迅速发展。

拉胀结构根据其单胞构型及空间结构形式分为二维(2D)和三维(3D)拉胀结构，其中2D拉胀结构最早被提出，也是目前研究最广泛的结构。与2D拉胀结构和材料相比，3D拉胀结构与材料具有更加优异的力学和功能特性，然而其结构复杂，制备合成面临着巨大挑战。近年来，随着激光选区熔化、电子束选区熔化、激光直写等增材制造技术的发展，使得制备复杂形状的3D拉胀结构与材料成为了可能，3D周期性拉胀材料也成为了目前材料领域研究的焦点。

然而，目前拉胀结构的设计主要集中在单胞杆件为直杆的情况，构型单一，应力集中明显，三维弯曲杆件(一定曲率的杆件)构成的拉胀材料未见报道。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于曲率设计的三维可控拉胀结构与材料。

本发明的目的是提供一种基于曲率设计的三维可控拉胀结构，所述三维可控拉胀结构是由若干3D单胞结构在三维空间内周期排列连接而成的立体结构；所述立体结构表现出负泊松比效应；

所述3D单胞结构是由不同尺寸的直杆和一定曲率的弯曲杆件组成的结构单元，或所述3D单胞结构是全部由一定曲率的弯曲杆件组成的结构单元；所述3D单胞结构具有空间平移对称性；

所述弯曲杆件的曲率半径大于等于1mm。

优选的，上述基于曲率设计的三维可控拉胀结构，所述3D单胞结构的设计参数包括直杆或弯曲杆件的截面形状、直杆直径、弯曲杆件直径、弯曲杆件的曲率半径、直杆长度、两直杆之间的间距；

所述直杆或弯杆的截面形状为圆形、矩形或者U形，所述直杆的直径范围是0.1～10.0mm，弯曲杆件直径范围是0.2～10mm，所述直杆长度范围是5.0～100.0mm，两直杆之间的间距范围是5.0～100.0mm。

优选的，上述基于曲率设计的三维可控拉胀结构，所述3D单胞结构是由四个2D单胞结构连接而成的镂空多面体，且该镂空多面体是沿自身轴向对称的结构；

所述2D单胞结构包括两个连接直杆、两个弯曲杆件和两个水平直杆；所述两个连接直杆、两个弯曲杆件交错排列且首尾连接形成近四边形；两个所述水平直杆分别对应连接在两个所述弯曲杆件的中心点处，且向弯曲杆件外部延伸；

所述3D单胞结构中相邻的单胞结构通过连接直杆连接，且两个2D单胞结构的连接直杆重合；

相邻的两个所述3D单胞结构通过其2D单胞结构的水平直杆连接；或者通过其2D单胞结构的连接直杆连接，且相邻两个2D单胞结构的连接直杆重合。

优选的，上述基于曲率设计的三维可控拉胀结构，所述3D单胞结构是由四个2D单胞结构连接而成的镂空多面体，且该镂空多面体是沿自身轴向对称的结构；

所述2D单胞结构是由四个弯曲杆件组成的“井”字形，且其中一对相对的弯曲杆件相向弯曲，另一对相对的弯曲杆件相背弯曲；

相邻的2D单胞结构通过弯曲杆件端部连接。

优选的，上述基于曲率设计的三维可控拉胀结构，所述三维可控拉胀结构的3D单胞结构采用三维绘图软件设计。

优选的，上述基于曲率设计的三维可控拉胀结构的材料，用于制备所述三维可控拉胀结构的材料的基体为聚合物或者金属。

优选的，上述基于曲率设计的三维可控拉胀结构的材料，所述三维可控拉胀结构的材料采用3D打印法制造，或者基于3D打印的熔模铸造法制造。

与现有技术相比，本发明提供的基于曲率设计的三维可控拉胀结构与材料，具有以下有益效果：

本发明针对目前三维负泊松比结构与材料存在应力集中和构型单一的问题，提出了一种基于杆件曲率和截面惯性矩来设计负泊松比结构与材料的新方法，提供一种可设计性好、性能可控性强、应力集中小、强度高的拉胀结构与材料。

本发明提供的拉胀结构材料与传统直杆拉胀结构材料相比具有光滑的几何特征，本发明这不仅可以减少材料制备过程中缺陷的产生，而且本发明的拉胀结构与材料由一根弯曲杆件代替原有的由两根直杆组成的斜肋，明显减小了两直杆件连接处的应力集中现象，可以减少变形过程中的应力集中，结构利用率较高，承载效率和吸能效果显著增加，从而具有更高的抗压强度和吸能特性。

此外，本发明拉胀结构与材料的杆件在外力作用下会发生弯曲变形，而截面惯性矩是衡量截面抗弯能力的一个几何参数，在相同的截面积下，不同截面形状其截面惯性矩也不相同，从而影响拉胀材料的力学性能。本发明提供的弯曲杆件可通过其杆件曲率调控泊松比，通过杆件的截面大小与长度调控孔隙率，在压缩与拉伸时均具有明显的负泊松比效应。本发明基于杆件曲率与截面惯性矩设计的拉胀结构与材料具有重要的应用价值，对整个材料库是一个有意义的拓展。

附图说明

图1为本发明实施例1的内凹型拉胀结构与材料的2D单胞结构设计参数；

图2为本发明实施例1的内凹型拉胀结构与材料的3D单胞结构模型；

图3为本发明实施例1的内凹型拉胀拓扑结构；

图4为本发明实施例2的手性拉胀结构与材料的2D单胞结构设计参数；

图5为本发明实施例2的手性拉胀结构与材料的3D单胞结构模型；

图6为本发明实施例2的手性拉胀拓扑结构。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1

一种内凹型拉胀结构与材料，其是由若干3D单胞结构在三维空间内周期排列连接而成的立体结构；所述3D单胞结构是由四个2D单胞结构连接而成的镂空多面体，且该镂空多面体是沿自身轴向对称的结构；

所述2D单胞结构包括两个连接直杆、两个弯曲杆件和两个水平直杆；所述两个连接直杆、两个弯曲杆件交错排列且首尾连接形成近四边形；两个所述水平直杆分别对应连接在两个所述弯曲杆件的中心点处，且向弯曲杆件外部延伸；

所述3D单胞结构中相邻的2D单胞结构通过连接直杆连接，且两个2D单胞结构的连接直杆重合；

相邻的两个所述3D单胞结构通过其2D单胞结构的水平直杆连接；或者通过其2D单胞结构的连接直杆连接，且相邻两个2D单胞结构的连接直杆重合。首先采用UG软件对3D内凹型拉胀3D单胞结构构型进行几何建模和设计，如图1-2所示，3D单胞结构中2D单胞结构设计参数为：杆件曲率半径r＝5，连接直杆、水平直杆和弯曲杆件截面均为圆形，两种直杆直径均为t₁＝1mm，弯曲杆件直径t₂＝1mm，水平直杆长度L＝6mm，连接直杆长度3mm，两水平直杆的间距H＝6mm，三维方向3D单胞结构个数为5×3×4，通过镜像得到相应的拓扑结构如图3所示。当上述2D单胞结构的r、H等参数确定后，θ值也就相应确定。

所述3D单胞结构具有空间平移对称性，即3D单胞结构A原本与3D单胞结构B对称排列，其相对于3D单胞结构B错开平移一定距离后能与3D单胞结构对称排列C，可以根据需要在三维空间内周期排列。

通过改变弯曲杆件的曲率来调节内凹型拉胀结构与材料的泊松比，通过改变杆件的直径或杆件长度来调控拉胀结构的孔隙率。利用有限元模拟验证所设计拉胀结构的负泊松比效应。采用3D打印的方法制备聚合物基或金属基(光敏树脂或AlSi10Mg)拉胀结构与材料。通过有限元数值模拟软件以6061铝合金为基体，对所设计的拉胀结构进行压缩响应行为数值模拟，其泊松比在-1.1～-0.2之间随应变量增加而发生变化，压缩强度为10～35MPa与设计参数密切相关，以此获得优化拉胀结构及其性能的预测方法。

实施例2

一种手性拉胀结构与材料，其是由若干3D单胞结构在三维空间内周期排列连接而成的立体结构；所述3D单胞结构是由四个2D单胞结构连接而成的镂空多面体，且该镂空多面体是沿自身轴向对称的结构；

所述2D单胞结构是由四个弯曲杆件组成的“井”字形，且其中一对相对的弯曲杆件相向弯曲，另一对相对的弯曲杆件相背弯曲；

相邻的2D单胞结构通过弯曲杆件端部连接。

首先，采用UG软件对3D手性拉胀3D单胞结构构型进行几何建模和设计，如图4-5所示，3D单胞结构中2D单胞结构设计参数为弯曲杆件曲率半径r＝5，弯曲杆件截面为长方形1×1.5mm，弧长S＝6mm，三维方向一层3D单胞结构的个数为5×4×4，通过镜像得到相应的拓扑结构如图6所示。3D单胞结构具有空间平移对称性，可以根据需要在三维空间内周期排列。当上述2D单胞结构参数S和r确定后，θ值也就相应确定。注：图4中t₁、t₂为杆件截面为圆形时的设计参数，均相当于本实施例的截面为长方形的对角线长度。

通过改变杆件的曲率来调节拉胀结构与材料的泊松比，通过改变杆件的截面积或杆件弧长来调控拉胀结构的孔隙率。利用有限元模拟验证所设计拉胀结构的负泊松比效应。采用3D打印的方法制备聚合物基拉胀结构与材料，或者通过基于3D打印技术首先制备出聚合物牺牲模，以此为模板通过熔模铸造的方法制备出低熔点的金属基拉胀结构与材料。

通过有限元数值模拟软件以6061铝合金为基体，对所设计的拉胀结构进行压缩响应行为数值模拟，其泊松比在-0.9～-0.2之间随应变量增加而增加，压缩强度为8～30MPa与设计参数密切相关以此获得优化拉胀结构及其性能预测的方法。

需要说明的是，本发明中若所设计3D单胞结构的杆件为直杆和弯曲杆件，则相邻直杆间距5.0～100.0mm；若所设计3D单胞结构均是弯曲杆件，则相邻弯曲杆件间的垂直高度(最大距离)是5.0～100.0mm。

需要说明的是，本发明中若直杆或者弯曲杆件的横截面积不是圆形，则二者直径值为杆件横截面间距最大的两点间的距离。

需要说明的是，本发明中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明描述了优选的实施例。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种基于曲率设计的三维可控拉胀结构，其特征在于，所述三维可控拉胀结构是由若干3D单胞结构在三维空间内周期排列连接而成的立体结构；所述立体结构表现出负泊松比效应；

所述3D单胞结构是全部由一定曲率的弯曲杆件组成的结构单元；所述3D单胞结构具有空间平移对称性；

所述弯曲杆件的曲率半径大于等于1mm；

所述3D单胞结构的设计参数包括弯曲杆件的截面形状、弯曲杆件直径、弯曲杆件的曲率半径间距；

所述弯曲杆的截面形状为圆形、矩形或者U形，所述弯曲杆件直径范围是0.2～10mm；

所述3D单胞结构是由四个2D单胞结构连接而成的镂空多面体，且该镂空多面体是沿自身轴向对称的结构；

所述2D单胞结构是由四个弯曲杆件组成的“井”字形，且其中一对相对的弯曲杆件相向弯曲，另一对相对的弯曲杆件相背弯曲；相邻的2D单胞结构通过弯曲杆件端部连接；

所述三维可控拉胀结构的3D单胞结构采用三维绘图软件设计；

用于制备所述三维可控拉胀结构的材料的基体为聚合物或者金属；

所述三维可控拉胀结构的材料采用3D打印法制造，或者基于3D打印的熔模铸造法制造。