CN114013027B - 一种强稳定性负泊松比结构的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超材料结构构建技术领域，涉及一种强稳定性负泊松比结构的构建方法，该强稳定性负泊松比结构整体是由重复基础胞元结构构建而成，具体构建方法包括以下步骤：构建基础胞元结构模型、组装构建强稳定性三维负泊松比结构并进行3D打印，从负泊松比胞元到三维负泊松比结构的构建是基于空间中高度对称的结构形态设计的，此结构形态赋予了整体结构强的面变形约束能力，因此结构具有良好且稳定的负泊松比效应。本发明所提供的强稳定性三维负泊松比结构的设计方法解决负泊松比结构受载荷时其负泊松比效应不稳定而难以良好满足实际应用需求的问题，推动了负泊松比结构材料的发展和应用。
Description
技术领域
本发明属于超材料结构构建技术领域，涉及一种强稳定性负泊松比结构的构建方法。
背景技术
负泊松比效应主要由其特定设计的微观结构产生的，因其非常规的变形行为而具有优异的力学性能，负泊松比结构在抗剪切性、抗压痕性、抗断裂性和能量吸收性能等方面具有很大优势，其应用范围也涵盖到医疗、缓冲抗震装备、智能传感、航空航天等。目前，负泊松比胞元结构主要有内凹结构、旋转多边形结构、手性结构、片状褶皱结构等等，而负泊松比结构的研究也从二维逐步延伸到三维，并且增材制造技术的快速发展使得制造精细复杂的负泊松比结构得以实现。但是，目前提出的负泊松比结构多是负泊松比胞元周期性排列形成阵列结构，只能在两个方向即二维平面上表现负泊松比效应，即使是部分三维负泊松比结构仍难以应对实际负泊松比材料在应用过程中复杂且难与结构加载定向高度相符的复杂情况。
因此，有必要设计一种强约束强稳定性三维负泊松比结构，在保证负泊松比效应良好的稳定性前提下使其具有高度各向同性性质，从而能够应对复杂加载条件，扩展负泊松比材料的应用场景。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决现有负泊松比结构的材料不能在较大的形变范围内保持稳定的负泊松比行为，导致其应用场景受限的问题，提供一种强稳定性负泊松比结构的构建方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种强稳定性负泊松比结构的构建方法，该强稳定性负泊松比结构整体是由重复基础胞元结构构建而成，具体构建方法包括以下步骤：
A、构建基础胞元结构模型：基础胞元结构由四条“山”线和四条“谷”线共于一个顶点的八个投影为直角三角形的面添加厚度构成，基础胞元结构的长宽比为1.141：1；基础胞元结构的厚度与宽度比定义为t/w，t/w的变化范围为0.1～0.5；基础胞元结构凹陷程度与厚度之比定义为基础胞元凹凸比，记作l/t，l/t的变化范围为1/2～-1/2；基础胞元结构在纵向和横向单轴压缩时皆具有负泊松比性质；
B、将步骤A通过标准软件构建好的基础胞元结构于空间中沿对称线方向周期性排列形成共用一个顶点且带厚度的三角形结构形态的二维板，相同的两块二维板在一个平面且顶点相对拼接后的二维结构以各面垂直的方式交叉，形成三维结构前体；以相同的三个三维结构前体，其二与其一在水平空间内垂直组装，其三与其一、其二在竖直空间内垂直组装，形成各方向高度对称的强稳定性三维负泊松比结构；
C、选择不同3D打印原材料；输入适合的文件格式导入打印软件，根据不同打印原料粘流特性设置打印工艺，打印过程不需要添加任何支撑材料；对模型切片，形成打印路径，建立模型，将模型上传至3D打印机；无支撑3D打印整体成型，得到强稳定性三维负泊松比结构打印成品。
进一步，步骤A中基础胞元结构的长宽比为1.141：1；基础胞元结构的厚度与宽度比为0.4；基础胞元结构凹陷程度与厚度之比为0。
进一步，步骤B中各方向高度对称的强稳定性三维负泊松比结构在空间中X、Y、Z三个方向以相同或不同数量排列、组合，形成不同尺寸和形状的结构。
进一步，步骤C中3D打印原材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、光固化树脂中的一种。
进一步，步骤C中三维负泊松比结构在3D打印技术制造时，清除所有支撑选项设置，在一层一层堆积的过程中保持良好的打印形态。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所公开的强稳定性负泊松比结构的构建方法，三维负泊松比结构具有各方向高度对称的结构特征，其中各个胞元在应对压缩载荷时具有较强的面变形约束能力，能够保证整体结构在较大的形变范围内抵抗不规则变形以保持刚性形变，从而呈现稳定的负泊松比行为。
2、本发明所公开的强稳定性负泊松比结构的构建方法，整体结构的负泊松比行为受材料、结构参数等因素的影响较小，能够在较大的参数调控范围内保持良好且稳定的负泊松比效应，结构应用效果稳定。
3、本发明所公开的强稳定性负泊松比结构的构建方法，强稳定性三维负泊松比结构由于其垂直组装而成的高度对称型结构特征而支持以各类3D打印技术制造，即各向同性负泊松比材料的设计和制造方法能够赋予各类3D打印原材料以各向同性稳定的负泊松比性质，并增强其力学性能，材料适用性强。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明强稳定性负泊松比结构示意图；
图2为本发明强稳定性负泊松比结构中基础胞元结构示意图；
图3为本发明强稳定性负泊松比结构中基础胞元结构几何参数定义图；
图4为本发明实施例1中强稳定性负泊松比结构构建的流程图；
图5为本发明实施例2中强稳定性负泊松比结构构建的流程图；
图6为本发明实施例1中强稳定性负泊松比结构TPU材料实物图；
图7为本发明实施例2中强稳定性负泊松比结构光固化树脂材料实物图；
图8为本发明实施例1中强稳定性负泊松比结构泊松比与厚宽比关系图；
图9为本发明实施例1中强稳定性负泊松比结构泊松比与凹凸比关系图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示的一种强稳定性负泊松比结构的构建方法，该强稳定性负泊松比结构整体是由重复基础胞元结构构建而成。
实施例1
如图2～4所示该强稳定性负泊松比结构的构建方法，具体构建方法包括以下步骤：
A、构建基础胞元结构模型(使用Cinema 4D软件进行建模)：基础胞元结构由四条“山”线和四条“谷”线共于一个顶点的八个投影为直角三角形的面添加厚度构成，基础胞元结构长度为282.844(以下长度皆为比例长度，可以任意比缩放)，宽度为200，长宽比为1.141：1；基础胞元结构的厚度与宽度比定义为t/w，t/w参数分别取0.15、0.20、0.25、0.30、0.35；基础胞元结构凹陷程度与厚度之比定义为基础胞元凹凸比，记作l/t，l依次设置为20、10、0、-10、-20，此时t设置为60，则l/t参数分别对应为1/3、1/6、0、-1/6、-1/3；；基础胞元结构在纵向和横向单轴压缩时皆具有负泊松比性质；
B、将步骤A通过标准软件构建好的基础胞元结构于空间中沿短对称线方向周期性排列形成共用一个顶点且带厚度的三角形结构形态的二维板，二维板整体长度为1697.064，整体宽度为1200；
相同的两块二维板在一个平面且顶点相对拼接后的二维结构以各面垂直的方式交叉，形成三维结构前体；以相同的三个三维结构前体，其二与其一在水平空间内垂直组装，其三与其一、其二在竖直空间内垂直组装，形成各方向高度对称的强稳定性三维负泊松比结构；
C、3D打印原材料选择热塑性聚氨酯(TPU)线材；3D打印机采用熔融沉积成型3D打印机(Raise 3D)，输入适合的文件格式导入打印软件，根据不同打印原料粘流特性设置打印工艺，打印过程不需要添加任何支撑材料；对模型切片，形成打印路径，建立模型，将模型上传至3D打印机；无支撑3D打印整体成型，得到强稳定性三维负泊松比结构打印成品。
其中打印工艺设置如下：
强稳定性三维负泊松比结构的打印成品如图6所示，此时t/w为0.6，l/t为0。
分别对t/w为0.15、0.20、0.25、0.30、0.35，l/t为0的模型进行单轴压缩试验。同样地，分别对l/t为1/3、1/6、0、-1/6、-1/3，t/w为0.6的模型进行单轴压缩试验。
如图8和图9所示，随负泊松比胞元的t/w、l/t参数的改变，整体结构的泊松比在其参数较大的调控范围内展现较稳定，并且整体结构在应变达14％左右仍可保持稳定的负泊松比，整体负泊松比值可达-0.9。
各方向高度对称的结构形态使得整体结构具有强的面变形约束能力，能够使各个胞元结构在较大的形变范围内保持刚性变形，从而展现整体稳定的负泊松比效应。因而，本说明提供的强稳定性三维负泊松比结构应用到不同材料都可以赋予其稳定的负泊松比效应从而增强其力学性能。
实施例2
如图5所示该强稳定性负泊松比结构的构建方法，实施例2与实施例1的区别在于，步骤B为：将步骤A通过标准软件构建好的基础胞元结构于空间中沿长对称线方向周期性排列形成共用一个顶点且带厚度的三角形结构形态的二维板，二维板整体长度为1697.064，整体宽度为1200；
步骤C中3D打印原材料选择光固化树脂(Formlabs Flexible)；3D打印机采用立体光刻3D打印机(Form 2)，输入适合的文件格式导入打印软件，根据不同打印原料粘流特性设置打印工艺，打印过程不需要添加任何支撑材料；对模型切片，形成打印路径，建立模型，将模型上传至3D打印机；无支撑3D打印整体成型，得到强稳定性三维负泊松比结构打印成品。
其中打印工艺设置如下：
实施例1强稳定性三维负泊松比结构打印成品TPU材料如图6所示，实施例2强稳定性三维负泊松比结构打印成品光固化树脂如图7所示，该强稳定性三维负泊松比结构在应用于TPU和光固化树脂材料时，3D打印所制造的样品对于基础单元凹凸等细节特征呈现良好，表面光滑，精度符合实际需求。
实施例1、实施例2所打印的强稳定性三维负泊松比材料受到外部载荷时，不会因为载荷方向的不同而呈现出力学性能的差异，高度各向同性负泊松比性质解除了负泊松比材料应用在应对来源于不同方向复杂的工况时的方向性性质，因而能够应对复杂的加载条件并且发挥最大的承载效率。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种强稳定性负泊松比结构的构建方法，其特征在于，该强稳定性负泊松比结构整体是由重复基础胞元结构构建而成，具体构建方法包括以下步骤：
A、构建基础胞元结构模型：基础胞元结构由四条“山”线和四条“谷”线共于一个顶点的八个投影为直角三角形的面添加厚度构成，基础胞元结构的长宽比为1.141：1；基础胞元结构的厚度与宽度比定义为t/w，t/w的变化范围为0.1～0.5；基础胞元结构凹陷程度与厚度之比定义为基础胞元凹凸比，记作l/t，l/t的变化范围为1/2～-1/2；基础胞元结构在纵向和横向单轴压缩时皆具有负泊松比性质；
B、将步骤A通过标准软件构建好的基础胞元结构于空间中沿对称线方向周期性排列形成共用一个顶点且带厚度的三角形结构形态的二维板，相同的两块二维板在一个平面且顶点相对拼接后的二维结构以各面垂直的方式交叉，形成三维结构前体；以相同的三个三维结构前体，其二与其一在水平空间内垂直组装，其三与其一、其二在竖直空间内垂直组装，形成各方向高度对称的强稳定性三维负泊松比结构；
C、选择不同3D打印原材料；输入适合的文件格式导入打印软件，根据不同打印原料粘流特性设置打印工艺，打印过程不需要添加任何支撑材料；对模型切片，形成打印路径，建立模型，将模型上传至3D打印机；无支撑3D打印整体成型，得到强稳定性三维负泊松比结构打印成品。
2.如权利要求1所述强稳定性负泊松比结构的构建方法，其特征在于，步骤A中基础胞元结构的长宽比为1.141：1；基础胞元结构的厚度与宽度比为0.4；基础胞元结构凹陷程度与厚度之比为0。
3.如权利要求1所述强稳定性负泊松比结构的构建方法，其特征在于，步骤B中各方向高度对称的强稳定性三维负泊松比结构在空间中X、Y、Z三个方向以相同或不同数量排列、组合，形成不同尺寸和形状的结构。
4.如权利要求1所述强稳定性负泊松比结构的构建方法，其特征在于，步骤C中3D打印原材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、光固化树脂中的一种。
5.如权利要求1所述强稳定性负泊松比结构的构建方法，其特征在于，步骤C中三维负泊松比结构在3D打印技术制造时，清除所有支撑选项设置，在一层一层堆积的过程中保持良好的打印形态。
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