CN117924921A - 一种类瓦片形负泊松比蜂窝超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种类瓦片形负泊松比蜂窝超材料，该材料是由若干个类瓦片形负泊松比蜂窝单胞交错排列组合而成，每个类瓦片形负泊松比蜂窝单胞由四块弧形瓦板首尾相连构造，其中上下两个弧形瓦板大小相同且互相平行，左右两个弧形瓦板大小相同且对称，该类材料可通过机械冲压与焊接、3D打印、激光切割等多种方式加工制备。通过弧形瓦板的组合设计使得结构整体变形稳定，降低了初始峰值力，并且结构在变形过程中展现了优异的负泊松比性能，从而使得该类材料具有高效的抗冲击吸能能力。
Description
技术领域
本发明涉及力学超材料设计技术领域，具体为一种类瓦片形负泊松比蜂窝超材料。
背景技术
随着科技的进步和工业的发展，工程领域对于新材料的需求面临着许多新的挑战。例如，在工程结构设计中，人们既需要轻质的材料来降低整体重量，又需要材料具备较高的强度和韧性。在振动控制和抗冲击能量吸收等方面也需要材料具备优异的力学性能。而传统材料在这些领域中已经显露出一些局限性。蜂窝结构材料因其高比表面积、高比强度、高比刚度和低密度而备受关注，从而在航空航天、汽车制造和建筑工程等领域得到广泛应用。
然而，传统蜂窝结构材料具有正的弹性模量，即在受力时会产生正的应变，为了更好地应对某些特定工程需求，负泊松比蜂窝超材料开始得到广泛探索。负泊松比蜂窝超材料是指具有负泊松比特性的蜂窝结构材料，通常由金属或聚合物构成。当受外力作用时，负泊松比蜂窝超材料表现出不同于自然界中一般材料的力学响应。作为一个新颖且引人注目的特性，负泊松比性质将带来许多新颖的应用和机遇，例如抗压入、抗剪切、抗冲击等。因此，研究人员不断寻求开发新型的力学超材料，以实现更多领域的创新应用。例如，在航空航天领域，它们可能用于减轻飞行器的震动和提高结构的承载性能；在医学领域，该材料可以被用作生物组织工程材料，为人工关节和植入物提供更好的生物相容性和减震效果。
负泊松比蜂窝超材料的设计还面临着许多技术挑战，其中包括结构设计的优化、制备工艺的完善以及对其性能的深入理解。材料科学的持续探索和对新材料性能提升的进一步需求推动着负泊松比蜂窝超材料的不断发展。传统的内凹六边形蜂窝超材料是一类典型力学超材料，虽然其具有较好的负泊松比性能，但在冲击载荷作用下其初始峰值力较高，且制备较难，限制了其广泛应用。因此改进传统内凹六边形蜂窝超材料，设计具有制备简单且抗冲击吸能效率高的蜂窝力学超材料是必要且具有意义的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种类瓦片形负泊松比蜂窝超材料，本发明所提供的超材料制备简单，可实现稳定规律的变形，并且降低了结构的初始峰值力，在变形过程中展现了优异的负泊松比性能，从而使得该类材料具有高效的抗冲击吸能能力。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种类瓦片形负泊松比蜂窝超材料，为若干个类瓦片形负泊松比单胞交错排列组合而成多排多列整体结构，每个单胞由四块弧形瓦板相连构造，其中上下两块弧形瓦板大小相同且互相平行，左右两块弧形瓦板大小相同且相对竖直中轴线对称；四块弧形瓦板通过首尾相连组成封闭曲面，从而形成空心框形单胞。
进一步的，所述单胞中的所有弧形瓦板宽度均相同。
进一步的，每列单胞包括由上到下顺次连接的多个单胞，纵向相邻的两个单胞中，上方的单胞与下方的单胞共用一块相邻的弧形瓦板，且共用弧形瓦板的两端为每列单胞的列顶点；左右相邻的两列单胞中，其中一列单胞的列顶点均与另一列单胞的侧面弧形瓦板的中点处连接。
进一步的，所述单胞的壁厚均为T，上下两块弧形瓦板半径均为R1，左右两侧的弧形瓦板半径均为R2，且R1≥5T，R2≥5T。
进一步的，R1∈[R2,2R2],R2∈[R1,2R1]。
进一步的，所述单胞左/右弧形瓦板的两端点相连长度为L1，单胞上/下弧形瓦板的两端点相连长度为L2，左/右弧形瓦板的两端点连线与上/下弧形瓦板的两端点连线垂直。
进一步的，所述单胞为左右对称结构。
本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明由若干个类瓦片形蜂窝单胞交错排列组合而成，每个类瓦片负泊松比蜂窝单胞由四块弧形瓦板相连构造，通过弧形瓦板设计使得结构的整体变形稳定规律，大幅降低了初始峰值力，并且结构在变形过程中展现了优异的负泊松比性能，从而使得该类材料具有稳定高效的能量吸收能力；
本发明的类瓦片形蜂窝超材料可通过几何参数调控改变其变形模式和力学响应，根据不同的需求对材料参数进行设计，实现可编程超材料；
本发明的截面形态易加工，除了通过3D打印技术和激光切割技术制备外，还可以通过传统机械冲压板材粘连焊接而成，相较于其他超材料经济性强，加工工艺要求较低。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为本发明类瓦片形蜂窝超材料的平面示意图；
图2为本发明的单胞结构示意图；
图3为本发明的单胞截面示意图及其几何尺寸设计；
图4为本发明的类瓦片形蜂窝超材料在准静态压缩时的变形过程图，变形过程顺序由(a)图到(d)图，其中(a)图中εy＝0,(b)图中εy＝0.3,(c)图中εy＝0.6,(d)图中εy＝0.85；
图5为本发明的类瓦片形蜂窝超材料在压缩时的泊松比变化曲线图。
图6为本发明类瓦片形蜂窝超材料与内凹六边形蜂窝超材料受纵向冲击的变形过程对比图；
图7为本发明类瓦片形蜂窝超材料与内凹六边形蜂窝超材料受纵向冲击的力-位移对比曲线图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。
如图1和图2所示，一种类瓦片形负泊松比蜂窝超材料，为若干个类瓦片形负泊松比单胞交错排列组合而成多排多列整体结构，每个单胞由四条弧形瓦板相连构造，其中上下两个弧形瓦板大小相同且互相平行，左右两个弧形瓦板大小相同且对称，四块弧形瓦板首尾相连组成封闭曲面，从而形成空心框形单胞。
作为一种实施方式，所述单胞中的所有弧形瓦板宽度均相同。
作为一种实施方式，每列单胞包括由上到下顺次连接的多个单胞，纵向相邻的两个单胞中，上方的单胞的与下方的单胞共用一块相邻的弧形瓦板，且共用弧形瓦板的两端为每列单胞的列顶点；左右两列相邻的单胞中，其中一列单胞的列顶点均与另一列单胞的侧面弧形瓦板的中点处连接。
作为一种实施方式，所述单胞的壁厚均为T，上下两块弧形瓦板半径均为R1，左右两侧的弧形瓦板半径均为R2，且R1≥5T，R2≥5T。
作为一种实施方式，R1∈[R2,2R2],R2∈[R1,2R1]。
作为一种实施方式，所述单胞左右弧形瓦板的两端点相连长度为L1，单胞上下弧形瓦板的两端点相连长度为L2，根据设计要求左右弧形瓦板的两端点连线与上下弧形瓦板的两端点连线垂直。
作为一种实施方式，所述单胞为左右对称结构。
类瓦片形负泊松比蜂窝超材料可由3D打印技术进行制备，该3D打印技术是将粉末状金属或塑料逐层打印形成构件，类瓦片形负泊松比蜂窝超材料的基体材料可选择尼龙、不锈钢或铝合金。
在本实施例中，类瓦片形负泊松比蜂窝超材料的基体材料为尼龙P12材料，如图3所示，上/下弧形板半径为R1＝7.25mm，左/右弧形板半径为R2＝7.25mm左右弧形瓦板的两端点相连长度为L1＝10mm，单胞上下弧形瓦板的两端点相连长度为L2＝10mm，结构胞壁厚度为T＝0.1mm，类瓦片形负泊松比蜂窝单胞在平面外方向的厚度为L＝10mm。
通过Abaqus/Explicit开展类瓦片形负泊松比蜂窝超材料的抗冲击性能仿真模拟。本例的组合结构由50个类瓦片形负泊松比蜂窝单胞结构交错堆叠成6层，如图1所示。蜂窝材料放置于一个施加固定约束的刚性平板上，通过另一刚性平板施加冲击载荷，冲击速度为1m/s。类瓦片形负泊松比蜂窝超材料的基体材料参数如下：弹性模量为1.4GPa，屈服应力为27.36MPa，泊松比为0.33，密度为956kg/mm3。
仿真计算得到的类瓦形负泊松比蜂窝超材料压缩变形过程如图4所示，变形过程顺序由(a)图到(d)图，其中(a)图中εy＝0为未受荷载时试件的初始状态。根据变形过程结合图5中的动态泊松比曲线可知，结构在εy＝0.3左右时具有最明显的负泊松比效应，达到了-0.425，而εy∈[0,0.3]时结构的负泊松比效应逐步增强，εy∈[0.3,0.85]时结构的负泊松比效应逐步降低，但整个过程中结构都呈现了负泊松比效应。另外，可以观察到结构在整个变形过程中变形模式稳定规律。
图5和6给出了类瓦形负泊松比蜂窝超材料与传统内凹六边形蜂窝结构的变形模式和力-位移曲线比较。可以发现在同等尺寸下，传统内凹六边形蜂窝的初始峰值力为228.129N，而本发明结构的初始峰值力为175.589N，因此本结构设计大大降低了结构初始变形的初始峰值力。根据力-位移曲线积分可以得到整体结构所吸收的能量，由于本发明结构具有稳定且较长的平台区，并且其平台应力远高于传统内凹六边形蜂窝超材料，因此本发明结构可以平稳持续吸收能量，具有更好的抗冲击吸能能力。另外，本发明结构的变形模式稳定规律，在压缩过程中具有较好的负泊松比效应，因此当前发明的蜂窝结构能够更加充分利用材料变形吸能，明显地提高了结构的能量吸收效率。
以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种类瓦片形负泊松比蜂窝超材料，其特征在于，为若干个类瓦片形负泊松比蜂窝单胞交错排列组合而成多排多列整体结构，每个单胞由四块弧形瓦板相接构造，其中上下两块弧形瓦板大小相同且互相平行；左右两侧的弧形瓦板大小相同且沿竖直中轴线对称；四块弧形瓦板首尾相连组成封闭曲面，从而形成空心框形单胞。
2.根据权利要求1所述的类瓦片形负泊松比蜂窝超材料，其特征在于，所述单胞中的所有弧形瓦板宽度均相同。
3.根据权利要求1所述的类瓦片形负泊松比蜂窝超材料，其特征在于，每列单胞包括由上到下顺次连接的多个单胞，纵向相邻的两个单胞中，上方的单胞与下方的单胞共用一块相邻的弧形瓦板，且共用弧形瓦板的两端为每列单胞的列顶点；左右相邻的两列单胞中，其中一列单胞的列顶点均与另一列单胞的侧面弧形瓦板的中点处连接。
4.根据权利要求1所述的类瓦片形负泊松比蜂窝超材料，其特征在于，所述单胞的壁厚均为T，上下两块弧形瓦板半径均为R1，左右两侧的弧形瓦板半径均为R2，且R1≥5T，R2≥5T。
5.根据权利要求4所述的类瓦片形负泊松比蜂窝超材料，其特征在于，R1∈[R2,2R2],R2∈[R1,2R1]。
6.根据权利要求1所述的类瓦片形负泊松比蜂窝超材料，其特征在于，单胞左/右弧形瓦板的两端点相连长度为L1，单胞上/下弧形瓦板的两端点相连长度为L2，左/右弧形瓦板的两端点连线与上/下弧形瓦板的两端点连线垂直。
7.根据权利要求1所述的类瓦片形负泊松比蜂窝超材料，其特征在于，所述单胞为左右对称结构。
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