CN114492121A - 一种超轻高刚度零泊松比机械超材料及其优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超轻高刚度零泊松比机械超材料，包括至少一个能够相互拼接的基础模块，所述基础模块由内部单元和多个外部单元拼接而成，所述内部单元整体为梁架结构，多个所述外部单元整体为平面的梁架结构，所述内部单元包括上基体、下基体和用于连接所述上基体和所述下基体的结合部，多个所述外部单元的上下两端分别与所述上基体和所述下基体连接，且相邻的各个所述外部单元之间相互连接，以使得所述内部单元和多个所述外部单元中的各个连接部位相连能够形成立方八面体结构，其中各个所述外部单元整体所对应的平面分别位于立体八面体结构中的各个面上。本发明降低了原本零泊松比机械超材料的制造难度和设计难度。
Description
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种超轻高刚度零泊松比机械超材料及其优化设计方法。
背景技术
零泊松比材料是一种机械超材料，其机械特性是当轴向受力压缩时，横向并非像其他传统材料一样拉伸，其横向并不进行拉伸和收缩。相比于大多数正泊松比材料，其具有高的抗变形能力、抗压痕能力同时具有好的支撑性。
目前制造零泊松比材料大多使用增材制造方式，或整体的结构设计单层堆叠的方式，这些方式在机械超材料的制造上具有很大的局限性，不仅制造难度很大，而且只可制造局部，应用程度低，因为可制造体积过小，应用到宏观的系统很困难。制造难度的加大，也会限制零泊松比机械超材料的设计。因此，提出一种新的零泊松比机械超材料的设计制造方法，具有重要的理论和应用意义。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种超轻高刚度零泊松比机械超材料及其优化设计方法，降低了原本零泊松比机械超材料的制造难度和设计难度。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种超轻高刚度零泊松比机械超材料，包括至少一个能够相互拼接的基础模块，所述基础模块由内部单元和多个外部单元拼接而成，所述内部单元整体为梁架结构，多个所述外部单元整体为平面的梁架结构，所述内部单元包括上基体、下基体和用于连接所述上基体和所述下基体的结合部，多个所述外部单元的上下两端分别与所述上基体和所述下基体连接，且相邻的各个所述外部单元之间相互连接，以使得所述内部单元和多个所述外部单元中的各个连接部位相连能够形成立方八面体结构，其中各个所述外部单元整体所对应的平面分别位于立体八面体结构中的各个面上。
优选地，所述上基体是正方形板状结构，所述下基体是十字型梁结构。
优选地，所述上基体的下表面设有四个第一接口，所述下基体的上表面也对应设有四个第二接口，四个所述第一接口分别设置在正方形板状结构的四个角处，四个所述第二接口分别设置在十字型梁结构的外端部处。
优选地，所述外部单元包括两根第一横梁、两根第二横梁、四根斜梁和两根竖梁，四根斜梁分别由两根第一横梁的两端部向外延伸形成，且四根斜梁分别与对应的第一横梁呈预设角度，四根斜梁中的两两分别相交于两点，两根所述第二横梁分别由两两斜梁相交的两点向外延伸形成，两根竖梁分别从两根所述第一横梁上的任意一点向外延伸形成。
优选地，所述外部单元上设有四个第三接口，其中两个所述第三接口分别设置于两根所述竖梁的外端部处以分别与所述上基体和所述下基体连接，另外两个所述第三接口分别设置于两根所述第二横梁的外端部处以分别与相邻的两个所述外部单元连接。
优选地，所述预设角度在50°至70°之间。
进一步地，所述第一横梁是所述第二横梁的长度的两倍，两根竖梁分别从两根所述第一横梁上的中点向外延伸形成。
进一步地，所述外部单元沿着两根所述第二横梁呈轴对称结构，且所述外部单元沿着两根所述竖梁也呈轴对称结构。
优选地，所述结合部包括上结合部、下结合部和弹性部，所述上结合部、所述下结合部和所述弹性部均由梁架结构组成，所述弹性部连接在所述上结合部和所述下结合部之间，所述上结合部的上端连接在所述上基体的下表面，所述下结合部的下端连接在所述下基体的上表面。
进一步地，所述弹性部为弹簧形状的梁结构。
优选地，所述上基体、所述下基体和多个所述外部单元上还分别设有多个外连接接口以使得多个所述基础模块之间能够相互拼接。
本发明还公开一种基于上述的超轻高刚度零泊松比机械超材料的优化设计方法，包括以下步骤：模型参数化、有限元求解、实验设计、曲面响应模型拟合、建立优化模型和求解所述优化模型，其中实验设计步骤采用拉丁超立方法生成实验数据，曲面响应模型拟合步骤采用二阶响应曲面，建立优化模型步骤采用多目标遗传算法。
本发明另外还公开一种拼接车轮，包括多个上述的超轻高刚度零泊松比机械超材料中的基础模块，多个所述基础模块分别连接在所述车轴的外圆周处。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的超轻高刚度零泊松比机械超材料，使用离散拼接的方法设计零泊松比机械超材料，降低了原本机械超材料的制造难度和设计难度，可以简单便利地应用到宏观系统的搭建中；在具有零泊松比特性的同时还具有较高的等效弹性模量。本发明提出的基于超轻高刚度零泊松比机械超材料的优化设计方法，没有使用数学推导的方法进行优化，使用数据驱动的方式，通过试验设计，曲面响应进行拟合优化，降低了模型优化的难度，提升了寻找局部最优解的速度和解的精确度。另外，本发明还利用零泊松比体素(基础模块)设计并实际制造出了拼接车轮结构，体现了本发明在应用程度上的优势；采用体素拼接方式体现出了快速拼接，快速组装和应用程度广泛的特点，且该拼接车轮具有轻质但高承载力和抵抗弯曲的能力。
在进一步的方案中，内部单元中的上基体采用正方形板状结构，下基体采用十字型梁结构，当两个基础模块拼接时，板梁交错，可以等效为单个基础模块双面为板的结构，避免了受力产生位移机制，这就在轴向进行了封闭操作，同时单个体素上减少了部分质量，进行了优化。
附图说明
图1a和图1b是现有技术的零泊松比的结构示意图；
图2是本发明优选实施例公开的超轻高刚度零泊松比机械超材料的基础模块的结构示意图；
图3是图2中的内部单元的结构示意图；
图4a和图4b是图2中的外部单元的结构示意图；
图5a和图5b是图2中的基础模块中各个单元相互连接时连接部位的示意图；
图6a和图6b是两个图2中的基础模块相互连接时连接部位的示意图；
图7是图2所示的基础模块的体素立方八面体结构；
图8是多个图2中的基础模块相互连接的示意图；
图9a和图9b是图1中的内部单元的尺寸示意图；
图9c是图1中的外部单元的尺寸示意图；
图10是本发明优选实施例公开的基于超轻高刚度零泊松比机械超材料的优化设计方法流程图；
图11是本发明优选实施例的超轻高刚度零泊松比机械超材料的敏感性分析图；
图12是本发明优选实施例的超轻高刚度零泊松比机械超材料的基础模块的实际屈曲测试结果；
图13是本发明另一优选实施例公开的拼接车轮的结构示意图；
图14a是图13中的拼接车轮的车轴的结构示意图；
图14b是图13中的拼接车轮的车轴连接件的结构示意图；
图14c是图13中的拼接车轮的轴部连接器的结构示意图；
图14d是图13中的拼接车轮的内部支撑件的结构示意图；
图14e是图13中的拼接车轮的部分构件的连接示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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实施例和简化描述，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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1a所示，是中国专利文献CN202010511182.4提出的一种具有稳定零泊松比的点阵结构，由一个点阵单胞在三维直角坐标系中沿着X、Y、Z三个方向上周期排列形成；如图1b所示是中国专利文献提出的一种具有零泊松比蜂窝结构，该新型蜂窝结构由四角星形结构与星角处的水平和竖直蜂窝壁阵列组合而成。其中，每一种设计方式都是周期性点阵堆叠的方式，进而得到在三维下的零泊松比效应；其主要实现原理需要有内凹结构的设计，通过对内凹角参数的计算使结构在轴向受力后横向的变形趋近于零，进而得到零泊松比效应。然而，目前的这些零泊松比材料大多存在以下缺陷：(1)制造困难，需要整体进行设计后再进行制造，导致需要对全局的机械特性进行考虑，并不能使局部保持零泊松比效应； (2)大部分现有的零泊松比超材料只是实现了零泊松比效应，并没有进行具体的应用，或者应用到宏观大的系统结构中，申请人通过研究发现具体原因是这些结构的弹性模量或刚度很低，难以满足实际应用的需求，许多功能性泊松比结构的泊松比值和力学特性会根据变形程度而发生改变，这种不稳定的性能使其难以推广应用到实际场景中进行应用；(3)现有的设计方案都是通过数学公式推导零泊松比、弹性模量、应力、应变的大小，再进行参数数学求解，求出局部最优值。但对于复杂的结构难以计算出精确的数学模型，局部最优解的精度也十分有限。
基于以上的缺陷，为了解决零泊松比机械超材料设计局限，制造方法单一，应用程度低，弹性模量低，相对密度大和优化设计繁琐的问题，本发明优选实施例提出了一种连续材料离散化的零泊松比超材料制造方法，并应用试验设计方法和响应曲面方法进行参数优化。离散的概念是将连续材料模块化，数字化，通过梁架结构拼接出单个具有零泊松比效应的体素，之后再将多个相同体素进行周期性拼接，最后组建成为整体能够发挥零泊松比特性的系统。
如图2所示，是本发明优选实施例公开的超轻高刚度零泊松比超材料结构的基础模块，该基础模块是通过梁架结构拼接出的单个具有零泊松比效应的体素，多个基础模块可以相互拼接以形成整体发挥零泊松比特性的系统。基础模块1 由内部单元10和四个外部单元20拼接而成，内部单元10整体为梁架结构，四个外部单元20整体为平面的梁架结构。结合图3，内部单元10包括上基体11、下基体12和用于连接上基体11和下基体12的结合部13，四个外部单元20的上下两端分别与上基体11和下基体12连接，且相邻的各个外部单元20之间相互连接，以使得内部单元10和四个外部单元20中的各个连接部位相连能够形成立方八面体结构(如图7所示)，其中各个外部单元20整体所对应的平面分别位于立体八面体结构中的各个面上。
如图3所示，是内部单元10的具体结构示意图，其中上基体11是正方形板状结构(例如2mm厚的板)，下基体12是十字型梁结构，上基体11的下表面设有四个第一接口111，下基体12的上表面也对应设有四个第二接口121，四个第一接口111分别设置在正方向板状结构的四个角处，四个第二接口121分别设置在十字梁结构的外端部处；在本实施例中，四个第一接口111包括两个第一公接口1111和两个第一母接口1112，其中两个第一公接口1111分别设置在正方向板状结构对角线的两个角，两个第一母接口1112分别设置在正方向板状结构另一对角线的两个角，也即第一公接口1111和第一母接口1112相互间隔设置；同样地，四个第二接口121包括两个第二公接口1211和两个第二母接口1212，两个第二公接口1211分别设置在十字型梁结构中的其中一根梁的两端处，两个第二母接口1212分别设置在十字型梁结构中的另一根梁的两端处，也即第二公接口1211和第二母接口1212相互间隔设置。
结合部13包括上结合部131、下结合部132和弹性部133，上结合部131、下结合部132和弹性部133均由梁架结构组成，弹性部133连接在上结合部131 和下结合部132之间，上结合部131的上端连接在上基体11的下表面，下结合部132的下端连接在下基体12的上表面；其中弹性部133为弹簧形状的梁结构。上结合部131和下结合部132分别由四组直梁134和斜梁135组成，各组中的斜梁135与直梁134呈一定角度。
在本实施例中，四个外部单元20有两种结构，分别为如图4a所示的第一外部单元201和如图4b所示的第二外部单元202，具体地，外部单元20包括两根第一横梁21、两根第二横梁22、四根斜梁23和两根竖梁24，四根斜梁24分别由两根第一横梁21的两端部向外延伸形成，且四根斜梁24分别与对应的第一横梁21呈预设角度(优选地，该预设角度在50°至70°之间)，四根斜梁24中的两两分别相交于两点，两根第二横梁22分别由两两斜梁24相交的两点向外延伸形成，两根竖梁24分别从两根第一横梁21的中点向外延伸形成，其中，第一横梁21是第二横梁22的长度的两倍，而且外部单元20沿着两根第二横梁22 呈上下轴对称结构，外部单元20沿着两根竖梁24呈左右轴对称结构。
外部单元20上设有四个第三接口，本具体实施中，第一外部单元201上设有四个第三公接口251，第二外部单元202上设有四个第三母接口252，其中两个第三公接口251和两个第三母接口252分别各自设置于两根竖梁24的外端部处以分别与上基体11和下基体12连接，另外两个第三公接口251和另外两个第三母接口252分别各自设置于两根第二横梁22的外端部处以分别与相邻的两个外部单元20连接。其中一个基础模块中四个外部单元20包括有两个第一外部单元201和两个第二外部单元202，第一外部单元201和第二外部单元202相互间隔设置，使得上端的第三公接口251或第三母接口252对应地与上基体11的第一母接口1112或第一公接口1111连接，下端的第三公接口251或第三母接口252 对应地与下基体12的第二母接口1212或第二公接口1211连接，每相邻的第一外部单元201和第二外部单元202之间通过对应的第三公接口251和第三母接口 252相互连接，如图5a和图5b所示；通过内部单元10和四个外部单元20的相互连接，使得内部单元10和四个外部单元20中的各个连接部位相连能够形成立方八面体结构(如图7所示)，其中各个外部单元20中的两根第一横梁21、两根第二横梁22、四根斜梁23和两根竖梁24分别位于立体八面体结构中的各个面上。
此外，在上基体11上还设有四个第一外连接接口112，四个第一外连接接口112分别与四个第一接口111相对应设置(例如本实施例中四个第一外连接接口112分别设置在四个第一接口111的内侧，在其他实施例中，四个第一外连接接口112也可以分别设置在四个第一接口111的外侧)；在下基体12上还设有四个第二外连接接口122，四个第二外连接接口122分别与四个第二接口121对应设置(例如本实施例中四个第二外连接接口122分别设置在四个第二接口121 的内侧，在其他实施例中，四个第二外连接接口122也可以分别设置在四个第二接口121的外侧)，外部单元20上还设有四个第三外连接接口26，四个第三外连接接口26分别与四个第三接口对应设置(例如本实施例中四个第三外连接接口26分别设置在四个第三接口的内侧，在其他实施例中，四个第三外连接接口 26也可以分别设置在四个第三接口的外侧)。如图6a和图6b所示，通过第一外连接接口112、第二外连接接口122和第三外连接接口26可以使得多个基础模块1之间相互拼接，以进一步形成如图8所示的整体结构，在一具体实施例中，第一外连接接口112、第二外连接接口122和第三外连接接口26均为通孔结构 (例如可以是2.5mm孔径通孔)，从而可以通过螺栓螺母将各个接口进行连接；这种外置的连接方式，不仅简化了拼接的难度，而且在减轻质量的情况下最大限度的提升了接口处刚度和稳定性。
本发明优选实施例中的基础模块中通过公母接口交错设置，配合两种外部结构进行拼接。体素间内部结构上下交互拼接，外部结构通过位于边缘的孔径拼接，这样可以达成轴向和横向结构的拓展。
本发明优选实施例中的基础模块是建立在梁架结构基础之上的，依据麦克斯韦准则，设计了体素为立方八面体梁架结构，能够在空间中要呈现刚性特征，表现为拉伸主导特性。如图7所示，单个体素(即单个基础模块)由边长75mm的立方体四面去除八个顶点的四面体构成，即可视作立方八面体(高和面对角线都为75mm，也即上基体11的对角线为75mm，下基体12的十字型梁结构的两根梁均为75mm，外部单元20中横向和纵向的长度也为75mm)。这样设计的好处是尽量满足设计的模块化，增加空间的连接性。
其中，相对密度ρRD可以表示为：
式中，ρc是体素等效密度，ρs是梁材料密度。
体素等效密度ρc可以表示为：
其中：
2(l1-l2 sinθoz)＝h0
h0≈2l2 cosθoz
式中，mc是体素质量，Vc是单个体素体积(是个常数，与设计大小有关并不计入后期的优化)。mi是内部单元的质量，moz是四个外部单元的总质量。如图9a所示，t0、b0分别代表内部单元的梁结构的厚度、宽度，θi代表内部单元的斜梁和直梁之间的夹角，如图9b所示，h0是体素高度(同时也是上基体的对角线长度，以及下基体的十字型梁结构中的梁的长度)；如图9c所示，t、b代表外部单元的梁结构的厚度、宽度，θoz代表外部单元的斜梁和第一横梁之间的夹角，l1代表第一横梁的长度，第二横梁的长度为
l2代表斜梁的长度，Δmi代表类弹性部与对应长度的直杆之间的质量差。
在本实施例中，体素(基础模块)在轴向和横向具备不同的力学特性，因为在实际应用中，要将体素作为系统的一小部分，因此其通常只承受单方向的力。各向异性的设计可以尽可能提升单个体素的力学性能，凸显所构成系统不同部分的力学特性。本发明实施例中，轴向一个方向由板封闭(上基体)，另一个方向由梁连接(下基体)，当两个体素轴向拼接时，板梁交错，可以等效为单个体素双面为板的结构，避免了受力产生位移机制，这就在轴向进行了封闭操作，同时单个体素上减少了部分质量，进行了优化。
内部单元的弹性部的作用不是起弹力作用，而是为了体素轴向受力后产生可变形形变，并有变形范围限制，同时在卸力后可以进行快速回复。采用内部外部结构的方式，可以针对不同应用目标进行特异性设计，提升体素应用能力。内部单元主要是为了提升其结构的弹性模量，降低体素的相对密度，外部单元是为了满足特殊的力学特性。拼接处采用如图5a、图5b和图6a、图6b的设计，使接口处刚度远远高于体素梁接单元，避免了接口处对单个体素和整体系统刚度的影响。
为了突出离散化的通用性和统一性，将内部单元和外部单元的宽度和厚度都设定为统一的大小(将各梁的厚度设定为2mm，宽度设定为3mm，上基体的板的厚度为2mm)，不做优化处理。仅仅针对外部单元影响特殊力学特性的参数进行优化。体素搭建材料使用的是玻璃纤维(PA12-GF)，其密度为1.2g/cm3，弹性模量为3000MPa，采用增材制造的方式生成结构件。
根据每种体素不同的力学特征进行分析，其中G为优化参数集合，m为体素质量，E为轴向等效弹性模量，P为体素泊松比，zz为体素优化参数集合，设计优化方程如下：
使用试验设计的方法进行结构的优化。基于多方向力学的指标的耦合问题，本实施例中考虑使用曲面拟合出目标方程之后再进行优化措施；同时使用试验设计的方法进行，从而可以最大限度的提升试验的有效程度，减少试验次数和数量。
具体地，如图10所示，本发明优选实施例公开的基于上述的超轻高刚度零泊松比机械超材料的优化设计方法，包括以下步骤：模型参数化、有限元求解、实验设计、曲面响应模型拟合、建立优化模型和求解所述优化模型，其中实验设计步骤采用拉丁超立方法生成实验数据，曲面响应模型拟合步骤采用二阶响应曲面，建立优化模型步骤采用多目标遗传算法。
其中利用拉丁超立方方法进行实验设计，而参数只有一个角度值θoz，故选择使用二阶响应曲面的方法进行曲线拟合，如图11所示为得到的敏感性分析图。优化模型采用MOGA(多目标遗传算法)，它是基于NSGA-II(非支配排序遗传算法-Ⅱ)的一个变种，它支持多种目标和约束，其目的是找到全局最优，它要求输入连续的参数；一个迭代的多目标遗传算法，提供比筛选一个更精确的方法，非常适合用于计算全局最大值或者最小值，同时，可以规避局部最优的陷阱。在得出的优化结果的基础上，本具体实施例中在考虑体素接口耦合的影响，机器制造精度和难度，材料加工局限性和单个体素几何对称美感因素后，最终参数确定如表1。
表1优化取值
| 模型参数(输入) | 取值范围 | 优化结果 | 最终取值 |
| θ<sub>on</sub> | 50°≤θ<sub>oz</sub>≤70° | 69.9° | 60° |
通过测试体素的实际屈曲效果，得到如图12和表2所示的测试结果。
表2测试结果
| 优化参数 | 实物测试 |
| 质量(m<sub>c</sub>) | 18.7g |
| 体素体积(V<sub>c</sub>) | 422cm<sup>3</sup> |
| 相对密度(ρ<sub>RD</sub>) | 0.0369 |
| 轴向弹性模量(E) | 52.955MPa |
| 泊松比(P) | 0.0 |
如图13所示，本发明另一优选实施例还公开一种拼接车轮900，拼接车轮 900包括如图14a所示的车轴901、如图14b所示的车轴连接件902、如图14c 所示的轴部连接器903、如图14d所示的内部支撑件904以及基础模块1，结合图14e，两个轴部连接器903连接在车轴连接件902的两端，车轴901穿设在轴部连接器903的内孔中，内部支撑件904连接在车轴连接件902的外周处，基础模块1连接在对应的内部支撑件904上。该拼接车轮由16个基础模块(零泊松比体素)拼接而成，单个圆周最外由8个基础模块(零泊松比体素)组成，两层圆周并排拼接组成车轮。该具体实施例中，车轴901由外径为15mm内径为12mm 的套筒组成，车轮驱动方式为电机与所设计的车轴901通过联轴器(车轴连接件902和轴部连接器903)连接，车轴901通过所设计接口与车轮(基础模块1) 进行连接。
通过上述测试结果，可以看出本发明优选实施例提出的超轻高刚度零泊松比机械超材料的基础模块(体素)具有零泊松比，且本发明具有以下优点：
(1)使用离散结构的方式，通过不同的以梁为基础的结构单元构建出单个零泊松比体素。使得单个体素的设计变得简单，大大降低制造难度。
(2)针对现有技术方案中的缺点二，单个体素作为模块单元，使用多个进行拼接，构建出宏观系统，使得零泊松比材料得以应用到宏观系统中。本发明所设计的结构在轴向能保持很高的弹性模量和较低的相对密度。多个体素的拼接组成的系统其刚度会随着体素数量的增加而增加，系统制造具有快速组装、快速替换的特性。
(3)利用零泊松比受力不易发生变形和本发明所设计体素具有高回复性、高弹性模量的特点，设计了一种无气离散拼接轮胎，其具有超轻特性和较高的承载力。
(4)使用试验设计的方法进行参数试验，再通过曲面响应设计的方法进行参数拟合，最后使用多目标遗传算法优化出最后结构的参数。这样以数据为驱动的方法，可以克服仅仅通过数学公式难以建模的弊端，简化优化过程，提升参数结果的可靠性和精确性。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (10)
1.一种超轻高刚度零泊松比机械超材料，其特征在于，包括至少一个能够相互拼接的基础模块，所述基础模块由内部单元和多个外部单元拼接而成，所述内部单元整体为梁架结构，多个所述外部单元整体为平面的梁架结构，所述内部单元包括上基体、下基体和用于连接所述上基体和所述下基体的结合部，多个所述外部单元的上下两端分别与所述上基体和所述下基体连接，且相邻的各个所述外部单元之间相互连接，以使得所述内部单元和多个所述外部单元中的各个连接部位相连能够形成立方八面体结构，其中各个所述外部单元整体所对应的平面分别位于立体八面体结构中的各个面上。
2.根据权利要求1所述的超轻高刚度零泊松比机械超材料，其特征在于，所述上基体是正方形板状结构，所述下基体是十字型梁结构。
3.根据权利要求1所述的超轻高刚度零泊松比机械超材料，其特征在于，所述上基体的下表面设有四个第一接口，所述下基体的上表面也对应设有四个第二接口，四个所述第一接口分别设置在正方形板状结构的四个角处，四个所述第二接口分别设置在十字型梁结构的外端部处。
4.根据权利要求1所述的超轻高刚度零泊松比机械超材料，其特征在于，所述外部单元包括两根第一横梁、两根第二横梁、四根斜梁和两根竖梁，四根斜梁分别由两根第一横梁的两端部向外延伸形成，且四根斜梁分别与对应的第一横梁呈预设角度，四根斜梁中的两两分别相交于两点，两根所述第二横梁分别由两两斜梁相交的两点向外延伸形成，两根竖梁分别从两根所述第一横梁上的任意一点向外延伸形成。
5.根据权利要求4所述的超轻高刚度负泊松比超材料结构，其特征在于，所述外部单元上设有四个第三接口，其中两个所述第三接口分别设置于两根所述竖梁的外端部处以分别与所述上基体和所述下基体连接，另外两个所述第三接口分别设置于两根所述第二横梁的外端部处以分别与相邻的两个所述外部单元连接。
6.根据权利要求4所述的超轻高刚度零泊松比机械超材料，其特征在于，所述预设角度在50°至70°之间；进一步地，所述第一横梁是所述第二横梁的长度的两倍，两根竖梁分别从两根所述第一横梁上的中点向外延伸形成；进一步地，所述外部单元沿着两根所述第二横梁呈轴对称结构，且所述外部单元沿着两根所述竖梁也呈轴对称结构。
7.根据权利要求1至6任一项所述的超轻高刚度零泊松比机械超材料，其特征在于，所述结合部包括上结合部、下结合部和弹性部，所述上结合部、所述下结合部和所述弹性部均由梁架结构组成，所述弹性部连接在所述上结合部和所述下结合部之间，所述上结合部的上端连接在所述上基体的下表面，所述下结合部的下端连接在所述下基体的上表面；进一步地，所述弹性部为弹簧形状的梁结构。
8.根据权利要求1至6任一项所述的超轻高刚度零泊松比机械超材料，其特征在于，所述上基体、所述下基体和多个所述外部单元上还分别设有多个外连接接口以使得多个所述基础模块之间能够相互拼接。
9.一种基于权利要求1至8任一项所述的超轻高刚度零泊松比机械超材料的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：模型参数化、有限元求解、实验设计、曲面响应模型拟合、建立优化模型和求解所述优化模型，其中实验设计步骤采用拉丁超立方法生成实验数据，曲面响应模型拟合步骤采用二阶响应曲面，建立优化模型步骤采用多目标遗传算法。
10.一种拼接车轮，其特征在于，包括多个权利要求1至8任一项所述的超轻高刚度零泊松比机械超材料中的基础模块，多个所述基础模块分别连接在所述车轴的外圆周处。
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| 秦浩星;杨德庆;: "任意负泊松比超材料结构设计的功能基元拓扑优化法", 复合材料学报, no. 04, 19 June 2017 (2017-06-19) * |
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