CN114888949A - 一种双向负泊松比结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种双向负泊松比结构，包括基质，在所述的基质内嵌入有刚性夹杂物，所述的刚性夹杂物为横截面为变形等边三角形，所述变形等边三角形的三条边的中心点均向等边三角形的中心凹陷，且刚性夹杂物为薄壁空心结构构件。本发明不同于常规的二维周期性结构，本发明提出的无序结构设计使其在两个方向上均具有负泊松比效应，并且可以通过设置夹杂物不同的几何参数、厚度、相对刚度以及夹杂孔数量来产生负泊松比效应。
Description
技术领域
本发明属于双向负泊松比结构领域，具体涉及一种随机嵌入高刚度空心变形三角形的双向负泊松比结构。
背景技术
传统自然材料的力学性能经常被限定在一个特定的、有限的范围内。例如，迄今为止已知的大多数工程材料和自然材料的泊松比都是正值，开发新的材料，实现各种力学和物理性能的任意组合，满足自然材料的设计空间和实际应用具有重要意义。
负泊松比是指材料在轴向拉伸时产生横向膨胀的现象。这种独特的拉伸膨胀变形模式赋予了负泊松比材料许多卓越的力学属性，如优异的抗剪强度，抗压痕强度，抗断裂能力以及较好的能量吸收性能等，使其在航空航天、汽车工业、生物医药、传感器和纺织工业等领域有着很好的应用前景，是材料科学领域的一个前沿研究热点。
目前，负泊松比材料一般根据其变形机理和微观结构进行分类，如蜂窝结构、手性结构、星形结构等非均质结构。迄今为止，研究的负泊松比材料多为二维结构，其效应仅限于特定的方向。由于大多数结构是周期性的，而且往往是对称的，因此负泊松比效应只出现在某些平面内的方向上。目前研究者提出的多种胞元结构构成的负泊松比材料存在着负泊松比效应不明显，负泊松比效应仅表现于特定方向上，能量吸收性能较弱等问题，在实际工程的应用上存在较大问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种双向负泊松比结构，可以实现材料在两个方向上的负泊松比效应，该结构是通过在基质材料内随机嵌入高刚度薄壁空心夹杂物来实现，解决了目前材料仅能实现单一方向的负泊松比效应的弊端。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的实施例提供了一种双向负泊松比结构，包括基质，在所述的基质内嵌入有刚性夹杂物，所述的刚性夹杂物为柱形件，柱形件的横截面为变形等边三角形，所述变形等边三角形的三条边的中心点均向等边三角形的中心凹陷，且刚性夹杂物为薄壁件。
作为进一步的技术方案，在所述的基质内嵌入有若干个所述的刚性夹杂物，且若干个刚性夹杂物相互独立。
作为进一步的技术方案，所述的若干个刚性夹杂物的弹性模量、泊松比、壁厚相等。
作为进一步的技术方案，所述的若干个刚性夹杂物无序排列。
作为进一步的技术方案，所述的若干个刚性夹杂物在基质内的嵌入角度任意，即无需保持一致，也可以角度相同。
作为进一步的技术方案，所述的基质为水泥基材料，但是不限于水泥基材料。
作为进一步的技术方案，所述的刚性夹杂物为碳纳米管材料制作，但是不限于碳纳米管材料。
作为进一步的技术方案，所述的刚性夹杂物的刚度为基质材料的50-100倍。
作为进一步的技术方案，所述的刚性夹杂物的壁厚应满足下述公式：
上述本发明的实施例的有益效果如下：
1.本发明提供了一种在二维空间上通过在基质材料内随机嵌入高刚度薄壁夹杂物来实现负泊松比效应的设计及制备方法。本发明所设计的嵌入随机高刚度薄壁夹杂物的特殊几何结构，由于变形三角形的非正交对称特征，可在两个方向上均获得负泊松比效应，从而实现复合材料的负泊松比特性。
2.可以通过改变变形三角形的几何参数，夹杂物的弹性模量以及夹杂孔数量来实现两个方向上的负泊松比效应。
3.不同于常规的二维周期性排布胞元的负泊松比结构，本发明的负泊松比效应只会在特定的方向上发生，而本发明无序结构的设计，使其在两个方向上具有负泊松比效应，为结构提供了相对简单的变形机制。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明中嵌入内凹等边三角形二维结构示意图；
图2是本发明中嵌入内凹等边三角形三维结构示意图；
图3是本发明中嵌入内凹等边三角形的夹杂单元的有限元模型未变形前的示意图；
图4是本发明中嵌入内凹等边三角形的夹杂单元的有限元模型变形后的示意图；
图5是本发明中用于生成随机夹杂复合材料结构的算法方案示意图；
图6是本发明中夹杂物数量为50的复合材料结构有限元模型未变形前的示意图；
图7是本发明中夹杂物数量为50的复合材料结构有限元模型未变形后的示意图；
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种双向负泊松比结构。
本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明提出了一种双向负泊松比结构，包括基质，在所述的基质内嵌入有刚性夹杂物，所述的刚性夹杂物为柱形结构，如图2所示，但是柱形结构的横截面为变形等边三角形，所述变形等边三角形的三条边的中心点均向等边三角形的中心凹陷，且刚性夹杂物为薄壁件。
具体，如图1、图2所示，本实施例中选择了变形的正三角形作为夹杂物，图1中的灰色区域(Lm＝120mm)表示刚度相对较低的基质。通过有限元对单一胞元中嵌入的内凹三角形的厚度、几何参数及相对刚度进行分析，确定其对材料负泊松比行为的影响机制。根据分析结果，本实施例确定了各参数较为合理的取值范围。基质的弹性模量为A，其泊松比为0.3。变形三角形的夹杂物的薄壁(Li＝100mm)，由具有更高刚度的材料制成。夹杂物的薄壁的弹性模量为50A-100A，其泊松比也为0.3。夹杂物的薄壁厚度为1-2mm。几何参数h(h为等边三角形边长中心点-等边三角形中心点的距离)控制三角形的内凹值，其值为0.5-1.5mm。单元中央的白色区域是夹杂物内的孔洞。虚线是夹杂物的对称轴。为模拟复合材料的压缩试验，确定了模型的边界条件：单元底部固定，所有自由度都受到约束，在单元顶部施加y负方向的均匀位移来模拟静态压缩变形。此外，计算中还考虑了夹杂物内表面之间的接触。
进一步，将若干个夹杂物随机夹杂到基质中，形成复合材料结构进行有限元分析，同样的边界条件：单元底部固定，所有自由度都受到约束，在单元顶部施加y负方向的均匀位移来模拟静态压缩变形。
实施例1
采用嵌入高刚度内凹等边三角形的夹杂单元模型(图3)，模型的几何参数为Lm＝120mm,Li＝100mm,h＝5m；基质的弹性模量为A，泊松比为0.3；高刚度夹杂物薄壁的弹性模量为100A，泊松比也为0.3，壁厚为1mm。
采用有限元方法对该夹杂单元的受压性能进行分析，结果如图4所示。模型的边界条件为：单元底部固定，所有自由度都受到约束，在单元顶部施加y负方向的均匀位移来模拟静态压缩变形，并考虑夹杂物内表面之间的接触。由于结构的非正交对称特征，可在两个方向上获得负泊松比效应。因此，可以选择该代表单元作为夹杂物结构，进一步研究复合材料结构。
实施例2
如图5所示，通过Python编程语言开发的算法，首先在一个正方形区域(Lm＝100mm)内生成一个内凹等边三角形，其中心点位于点O，其坐标在正方形区域内随机生成，另外夹杂物在0-120°范围内随机选择一个角度来旋转。几何参数为Li＝10mm，h＝5mm；基质的弹性模量为A，泊松比为0.3；高刚度夹杂物薄壁的弹性模量为100A，泊松比也为0.3，壁厚为0.1mm。然后用同样的方法引入其他夹杂物，并避免新夹杂物与现有夹杂物发生重叠。通过重复这种方法，可以生成嵌入高刚度薄壁夹杂物的复合结构。
采用夹杂孔数量为50的复合材料结构模型图6。采用有限元方法对该嵌入50个高刚度夹杂物的复合材料结构的受压性能进行分析，所得结果如图7所示。模型的边界条件为：单元底部固定，所有自由度都受到约束，单元顶部施加一个负y方向的均匀位移来模拟静态压缩变形，并考虑夹杂物内表面之间的接触。
从结果中可以看到，该夹杂孔数量为50的复合材料结构模型在受到竖直压缩时出现了负泊松比效应。
实施例3
本实施例中，将夹杂孔数量为50的结构模型用于水泥基复合材料，几何参数同样为Li＝10mm，h＝5mm；基质为水泥基材料，其弹性模量为20GPa，泊松比为0.3；夹杂壁为碳纳米管材料，其弹性模量为1000GPa，泊松比也为0.3，壁厚为0.2mm。
采用夹杂孔数量为50的复合材料结构模型。模型的边界条件为：单元底部固定，所有自由度都受到约束，在单元顶部施加y负方向的均匀位移来模拟静态压缩变形，并考虑夹杂物内表面之间的接触。由于结构的非正交对称特征，可在两个方向上获得负泊松比效应。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双向负泊松比结构，其特征在于，包括基质，在所述的基质内嵌入有刚性夹杂物，所述的刚性夹杂物为柱形件，柱形件的横截面为变形等边三角形，所述变形等边三角形的三条边的中心点均向等边三角形的中心凹陷，且刚性夹杂物为薄壁空心结构构件。
2.如权利要求1所述的双向负泊松比结构，其特征在于，在所述的基质内嵌入有若干个刚性夹杂物，且若干个刚性夹杂物相互独立。
3.如权利要求2所述的双向负泊松比结构，其特征在于，所述的若干个刚性夹杂物的弹性模量、泊松比、壁厚相等。
4.如权利要求2所述的双向负泊松比结构，其特征在于，所述的若干个刚性夹杂物在基质内无序排列。
5.如权利要求2所述的双向负泊松比结构，其特征在于，所述的若干个刚性夹杂物在基质内的嵌入角度任意。
6.如权利要求1所述的双向负泊松比结构，其特征在于，所述的基质为水泥基材料。
7.如权利要求1所述的双向负泊松比结构，其特征在于，所述的刚性夹杂物为碳纳米管材料制作。
8.如权利要求1所述的双向负泊松比结构，其特征在于，所述的刚性夹杂物的刚度为基质材料刚度的50-100倍。
9.如权利要求1所述的双向负泊松比结构，其特征在于，所述的刚性夹杂物的壁厚应满足下述公式：
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