CN111969327A

CN111969327A - 一种形变可设计且可非接触控制的二维机械超材料

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Publication number: CN111969327A
Application number: CN202010846310.0A
Authority: CN
Inventors: 姚剑飞; 苏永菲
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2040-08-21
Also published as: CN111969327B

Abstract

本公开涉及超材料技术领域，尤其涉及一种形变可设计且可非接触控制的二维机械超材料，其中，每个单体胞元包括变形单元和运动单元：所述变形单元包括内凹n角形、n个连杆和n个控制块，每1个连杆以其一端与内凹n角形固定连接，以其另一端与1个控制块的中心固定连接，每个控制块以其远离中心的两端分别与1个运动单元滑动连接，在同一个单体胞元中，每个运动单元连接两个控制块；其中，在所述变形单元中，在所述内凹n角形的周围对称固定连接n个连杆；所述变形单元为尺寸由变形参数控制的星型结构，所述运动单元为尺寸固定的板状结构；在板状结构上设置有控制槽，用于滑动连接控制块与运动单元。本公开的材料能够实现负泊松比效应和形变可设计以及非接触控制。

Description

一种形变可设计且可非接触控制的二维机械超材料

技术领域

本公开涉及超材料技术领域，尤其涉及一种二维机械超材料。

背景技术

在当今世界，高性能材料对交通运输、能源动力、资源环境、农业建筑、国防军事以及国家重大工程的可持续发展起着至关重要的作用。但是，随着现代工程技术的不断发展，普通的高性能材料拥有的正常的性能已经无法满足特定的需求。

超材料，是通过人工设计的结构(例如物理结构)而突破某些表观自然规律的限制，呈现出天然材料所不具备的超常材料功能的复合材料。

机械超材料((Mechanical metamaterial)(也称为力学超材料))，广义上指一类可人工操纵材料外观和力学特性的超材料，能够实现轻质高刚度、可调刚度、负压缩性、超流体、负泊松比等特性。

负泊松比效应是指，在受拉伸时材料在弹性范围内横向反而发生膨胀，在受压缩时材料在弹性范围内横向反而发生收缩。具有负泊松比效应的机械超材料,通常具有更好的抗剪切性、抗断裂性、抗压痕性、能量吸收性等，同时也表现出轻质、高阻尼、吸声、隔热等物理特性，在功能材料中扮演着重要角色，对航空航天、半导体器件、光学元件、精密仪器以及建筑材料等领域的发展具有重大意义。

研究发现，天然的负泊松比材料种类较少，且材料的拉胀性能不易改变，所以，当前的大部分负泊松比材料都是通过人工设计的方法获得。现有的负泊松比材料主要设计为具有以下胞元结构：内凹多边形结构、旋转多边形结构、手性结构、穿孔板结构、联锁多边形结构等，一旦结构确定，泊松比的值就是一个定值。

但是，在材料整体具有统一的泊松比值的情况下，材料形状变化较为单一，无法实现较复杂的平面变形，导致在实际应用中具有一定的局限性。此外，现有的大部分机械超材料都是通过在外部施加直接接触的力来实现变形，这限制了该种机械超材料在无法满足接触控制的场景的应用。

发明内容

本公开提供了一种形变可设计且可非接触控制的二维机械超材料，为二维机械超材料的形变可设计提供了一种解决方案。

本公开提供了一种二维机械超材料，由单体胞元构成，其特征在于，

每个单体胞元包括变形单元和运动单元：

其中，所述变形单元包括内凹n角形、n个连杆和n个控制块，每1个连杆以其一端与内凹n角形固定连接，以其另一端与1个控制块的中心固定连接，每个控制块以其远离中心的两端分别与1个运动单元滑动连接，在同一个单体胞元中，每个运动单元连接着两个控制块；

其中，在所述变形单元中，在所述内凹n角形的周围对称地固定连接着n个连杆；

所述变形单元为尺寸由变形参数控制的星型结构，所述运动单元为尺寸固定的板状结构；

所述运动单元在板状结构上设置有控制槽，用于滑动连接控制块与运动单元。

在本公开的二维机械超材料的实施方案中，所述连杆以其一端与内凹n角形的内凹角连接，以其另一端与控制块的中心垂直地固定连接。

在本公开的二维机械超材料的进一步的实施方案中，在每个单体胞元中，所述变形单元包括的内凹n角形为内凹四角形(即四角星型结构)，相应地，包括4个连杆和4个控制块，每个连杆以其一端与内凹四角形的内凹角连接，以其另一端与控制块中心连接，各个控制块呈向远离控制块中心的两端延伸的长方形，长方形控制块以其两端分别与1个运动单元通过控制槽滑动连接。

在本公开中，以四角星型联锁结构为例对本公开的单体胞元结构的具体连接方式进行说明。但是，本公开单体胞元结构中的变形单元并不限于内凹四角形。在本公开中，在所述内凹n角形中，n的数值范围为3-8。超过这个范围，结构设计将变得复杂。

在本公开的二维机械超材料的再进一步的实施方案中，所述运动单元上设置有至少4个控制槽，其中2个控制槽与1个单体胞元中的控制块滑动连接，另外2个控制槽与相邻单体胞元中的控制块滑动连接。

在本公开的二维机械超材料的实施方案中，所述内凹n角形、所述连杆和所述控制块为一体成型。

在本公开的二维机械超材料的实施方案中，单体胞元结构的变形单元的参数可调节，所述参数包括内凹n角形的大圆半径R、内凹n角形的小圆半径r和内凹n角形的肋条宽度t。

在本公开的二维机械超材料的进一步的实施方案中，所述二维机械超材料由不同的单体胞元构成，所述单体胞元中的变形单元的所述参数不同。

在本公开的二维机械超材料的实施方案中，所述运动单元为平板结构，所述平板结构的横切面为规则几何形状或不规则几何形状。

在本公开的二维机械超材料的实施方案中，变形单元的内凹n角形的角为圆角。

在本公开的二维机械超材料的实施方案中，变形单元的材料为可以通过物理量或化学量的变化而产生变化的敏感材料。

在本公开的二维机械超材料的进一步的实施方案中，所述物理量或化学量为，例如光、压力、温度、磁场、电场、化学物质等。

在本公开的二维机械超材料的进一步的实施方案中，所述敏感材料为，例如形状记忆合金，磁致伸缩材料，但不限于此。

在常规的二维负泊松比材料中，材料仅由简单胞元均匀分布而成，或者由简单多边形联锁而成。但是，这样得到的材料的泊松比较为固定，形变较为单一，无法实现复杂的形变设计。

本公开通过设计特殊的单体胞元单元组成和所述单元的特殊的连接方式而得到具有复杂形变性质的材料。具体地，设计单体胞元由变形单元和运动单元构成，并且设计变形单元和运动单元特定的连接方式，即，每个单体胞元中，位于胞元中心的1个变形单元通过连接件与若干运动单元进行上文所述的滑动连接，该连接的作用如下：1)实现变形单元与运动单元彼此独立，可拆分和可安装，从而可以更换不同参数的变形单元；2)在变形单元参数相同和/或不同的情况下，将一个单体胞元内的变形单元的泊松比变形产生的力最佳的传递至下一个单体胞元内的变形单元，依次传递，从而能够有效的实现材料的复杂变形。

本公开的二维机械超材料，由于单体胞元独立且具有不同的泊松比值，当具有不同泊松比值的单体胞元按照不同的排列进行分布时，可以得到不同的变形结果，从而实现材料整体结构的复杂变形。同样的，可以根据整体结构的变形需求，利用优化算法对具有不同泊松比值的单体胞元的分布进行优化，设定目标函数和终止条件，优化结束后就可以得到满足复杂变形要求的单体胞元分布的最佳方案。这种分布方案就是胞元分布的可设计性，利用胞元分布的可设计性就可以得到复杂形变的可设计性。

采用本公开的技术方案能够获得以下效果：

1、现有技术中的大部分具有负泊松比效应的机械超材料，都为整体设计，胞元结构均匀分布。本公开通过对胞元结构参数的调整，可设计出胞元结构呈一定规律分布的机械超材料，通过施加控制力，可使超材料结构在二维平面实现较为复杂的变形要求，实现材料形变的可设计性。

具体而言，本公开的具有负泊松比效应的二维机械超材料通过单体胞元联锁而成，所述单体胞元由变形单元和运动单元组成。所述运动单元尺寸固定，且不易发生变形；所述变形单元的尺寸可根据变形参数进行调节。运动单元和变形单元相互独立，通过改变变形单元的结构参数进而改变单体胞元结构的参数，在胞元结构不同的情况下，材料局部的泊松比值也不同，从而材料能够发生不同的局部变形，实现复杂的形变。

2、本公开的二维机械超材料的单体胞元结构中，变形单元和运动单元彼此独立，分别实现变形和运动的功能，对于不同的功能需求，可以选择不同的材料，分别进行加工，从而实现更有针对性的设计。例如，变形单元可以使用易于变形的智能材料，通过非接触式的驱动方式来实现形变控制，当然也可以使用其他的变形材料，通过接触式(施加机械作用力)的驱动方式来实现形变控制；运动单元可以使用不易于变形的普通材料，以完成运动功能。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释和进一步理解本公开内容，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1为本公开二维机械超材料的单体胞元的整体结构的一种实施方式的示意图。

图2为本公开二维机械超材料单体胞元的变形单元的一种实施方式的示意图。

图3为本公开二维机械超材料单体胞元的运动单元的一种实施方式的示意图。图3(a)为运动单元的正面图；图3(b)为运动单元的剖面图；图3(c)为运动单元的斜视图。

图4为变形单元变形过程的一种实施方式的示意图。

图5为本公开二维机械超材料的变形单元的变量参数含义的示意图。

图6为本公开二维机械超材料的变形单元为内凹四角形时构成的“四角星联锁”结构装配体示意图。

图7为本公开二维机械超材料的变形单元为内凹四角形时的装配体装配成的试样的示意图。

附图编号说明

1.内凹四角形

2.连杆

3.控制块

4.控制槽

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开方案作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

在本公开中，泊松比应当理解为具有本领域技术人员普遍认为的含义。具体地，以纵向为y轴，横向为x轴，当材料在纵向上受到拉力时，材料的泊松比可以用式(1)表示：

其中，v表示泊松比，ε_x表示横向应变，ε_y表示纵向应变。

传统材料的变形过程为：当在纵向受到拉力作用时，材料在纵向会发生拉伸，而在横向会发生收缩，泊松比为正值。

负泊松比效应材料的变形过程为：当在纵向受到拉力作用的时候，材料在纵向拉伸的同时，在横向也会进行扩张(也即所称为的拉胀变形)，泊松比为负值。

一方面，本公开提供一种二维机械超材料，其由单体胞元构成，每个单体胞元包括变形单元和运动单元：

图1示出了本公开提供的二维机械超材料的单体胞元，该单体胞元由变形单元和运动单元构成。

变形单元的一个实施方式如图2所示，在图2中，变形单元的内凹n角形为内凹四角形(1)。与内凹四角形相对应地，该变形单元包括4个连杆(2)、4个控制块(3)。所述连杆(2)以其一端与内凹四角形的内凹角连接，以其另一端与控制块(3)的中心垂直连接，各个控制块(3)为长方形。

如图1所示，长方形控制块的两端各连接一个运动单元，具体地，通过图3所示的运动单元上设置的控制槽(4)而滑动连接控制块与运动单元。

本公开的变形单元的实施方案中，n的可能取值在3与8之间，超过这个范围，结构设计将变得复杂。

在本公开的变形单元的实施方案中，所述变形单元的内凹n角形的角也可以为圆角，用于抵消各部分结构尺寸的突然变化，从而减小应力集中。

在本公开的变形单元的实施方案中，内凹n角形、连杆和控制块为一体成型能够将内凹n角形的变形产生的力通过连杆有效地传递至控制块，并通过控制块有效地传递至运动单元，从而将内凹n角形的膨胀或内缩运动通过运动单元进行有效传递。

具体地，本公开设计的变形单元在内凹n角形(又称为星型结构)上带有适当数量的控制块，星型结构与控制块共同构成变形单元；相应地，在变形单元的外围设置适当数量的仅在外力作用和变形单元变形作用下沿着控制槽发生位移而不易发生变形的运动单元；变形单元与运动单元的这种联锁连接设计，不但可以有效传递星型结构本身的拉胀变形效应，还使各个单体胞元之间彼此独立，这种彼此独立的单体胞元结构使变形单元参数的预设调节成为可能。

运动单元尺寸固定应当理解为，运动单元的板状结构之间可能会在材料变形过程中发生相对位移(例如滑动运动)，但平板结构本身不发生形变，仍然保持初始的几何尺寸。

图3(a)的运动单元正面图显示，所述运动单元为平板结构，所述平板结构的横切面为不规则几何形状。图3(b)的运动单元剖面图显示，在内凹四角形的情况下，在运动单元上设置有4个控制槽(4)。图3(c)显示出了运动单元的斜视图，在图中能够清楚地看到控制槽(4)。控制槽(4)的尺寸应当与控制块(3)的尺寸匹配，以便长方形控制块的端部能够适配地滑动进出控制槽(4)，有效地进行力的传递。

图4为本公开二维机械超材料的变形单元的变形过程示意图。下面结合图1和图4对本公开的单体胞元结构的变形过程进行说明：

单体胞元结构的变形过程主要分为两部分——变形单元的变形运动和运动单元的平移滑动。在图1中，如果以竖直方向为y方向，以水平方向为x方向，那么，在变形单元的一个控制块沿着竖直方向滑动而向内凹四角形施加拉伸的力的情况下，内凹四角形因其结构特性而发生形变，发生沿y方向上的内凹角变大等一系列形变。在所述一系列形变中，包括接下来的内凹四角形在水平方向上的沿x方向上的内凹角变大的形变，该拉胀形变是内凹四角形结构本身属性所带来的，该拉胀形变在x方向产生的推力能够推动单体胞元的相应的控制块在沿水平方向上相对于控制槽滑动移动，从而整个单体胞元发生拉胀效应(参见图4)，即产生负泊松比效应。

图5为本公开二维机械超材料的变形单元的变量参数的示意图。运动单元的尺寸在设计之初就已经确定，变量参数设置在变形单元处。在变形单元处主要设计了3个变量参数，分别为变形单元内凹四角形的大圆半径R、内凹四角形的小圆半径r和内凹四角形的肋条宽度t。改变它们的值，单体胞元的泊松比可以发生明显变化。其他参数保持不变或者随变量的变化而变化。

图6为本公开二维机械超材料的“四角星联锁”结构的整体设计的一种实施方式的示意图。正如图6中的胞元结构所示，变形单元和运动单元是独立的。当将运动单元的尺寸固定，而改变胞元中的变形单元时，整个胞元结构的泊松比会发生变化，也就是它们的变形特性会发生改变。如果将这些拥有不同结构尺寸的胞元组合在一起，那么，所形成的整体结构就会因为局部具有不同的泊松比而表现出复杂的变形。根据不同胞元结构的排列组合形式，这种复杂的变形就是可以通过设计实现的。

另一方面，本公开设计的二维机械超材料的每一个胞元都是独立的，那么它们就可以被分别进行控制。例如，可以使变形单元选自对物理量或化学量敏感的智能材料，如形状记忆合金、磁致伸缩材料等，通过外加温度场和磁场等方式使变形单元发生形变，进而采用非接触式的控制方式控制整体材料的变形；配合调整变形单元智能材料的参数，能够实现材料的非接触式复杂变形。

有限元仿真实验

为了验证参数对于结构泊松比的影响，设计了一种试样结构，如图7。选择结构钢为基体材料(该基体材料不限制整体试样结构的参数对泊松比的影响)，由上下两个夹持装置、9个变形单元、4个连接单元(也是变形单元，起到连接的作用)和4个边缘连接单元(也是变形单元，起到连接固定的作用)和36个运动单元组成。连接单元和边缘连接单元的尺寸与变形单元的尺寸相同。试样整体尺寸长345mm，宽277mm，变形单元和上下加持装置厚度2mm，运动单元厚度4mm。使用有限元模拟软件ANSYS workbench进行仿真实验，分别在上夹持头施加固定载荷力8N，在下夹持头施加固定约束。以控制变量法研究三种参数r、R和t分别对于试样泊松比的影响，测试结果列于表1、表2和表3中。

表1：

r＝5，t＝1	R＝16	R＝17	R＝18
				试样泊松比	-0.190	-0.266	-0.333

表2

R＝17，t＝1	r＝5	r＝6	r＝7
				试样泊松比	-0.266	-0.13	0.010

表3

r＝5，R＝17	t＝1	t＝1.5	t＝1.8
				试样泊松比	-0.266	0.064	0.278

从以上测试结果可以得知，r、R和t对于本公开的二维机械超材料结构的泊松比有着重要的影响。具体而言，当r和t参数固定不变，随着R的增大，试样的负泊松比效应逐渐增强；当R和t参数固定不变，随着r的增大，试样的负泊松比效应逐渐减弱，直至变为正泊松比效应；当r和R参数固定不变，随着t的增大，试样的负泊松比效应逐渐减弱，直至变为正泊松比效应。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims

1.一种二维机械超材料，由单体胞元构成，其特征在于，

每个单体胞元包括变形单元和运动单元：

2.根据权利要求1所述的二维机械超材料，其特征在于，所述连杆以其一端与内凹n角形的内凹角连接，以其另一端与控制块的中心垂直地固定连接。

3.根据权利要求2所述的二维机械超材料，其特征在于，在每个单体胞元中，所述变形单元包括的内凹n角形为内凹四角形，相应地，包括4个连杆和4个控制块，每个连杆以其一端与内凹四角形的内凹角连接，以其另一端与控制块中心连接，各个控制块呈向远离控制块中心的两端延伸的长方形，长方形控制块以其两端分别与1个运动单元通过控制槽滑动连接。

4.根据权利要求3所述的二维机械超材料，其特征在于，所述运动单元上设置有至少4个控制槽，其中2个控制槽与1个单体胞元中的控制块滑动连接，另外2个控制槽与相邻单体胞元中的控制块滑动连接。

5.根据权利要求1所述的二维机械超材料，其特征在于，所述内凹n角形、所述连杆和所述控制块为一体成型。

6.根据权利要求1-3任一项所述的二维机械超材料，其特征在于，单体胞元结构的变形单元的参数可调节，所述参数包括内凹n角形的大圆半径R、内凹n角形的小圆半径r和内凹n角形的肋条宽度t。

7.根据权利要求6所述的二维机械超材料，其特征在于，所述二维机械超材料由不同的单体胞元构成，所述单体胞元中的变形单元的所述参数不同。

8.根据权利要求1或2所述的二维机械超材料，其特征在于，单体胞元独立且具有不同的泊松比值，将具有不同泊松比值的单体胞元按照不同的排列进行分布，得到不同的变形结果，从而实现材料整体结构的复杂变形。

9.根据权利要求1或2所述的二维机械超材料，其特征在于，n的数值范围为3-8。

10.根据权利要求1或2所述的二维机械超材料，其特征在于，变形单元的材料为通过物理量或化学量的变化能够产生变化的敏感材料。