CN209959779U - 一种具有负泊松比特性的二维周期性材料 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有负泊松比特性的二维周期性材料，涉及单个微孔胞元和微孔胞元在二维平面上的周期性排列方式，其中单个微孔胞元的形状为一个异型四边形。单个微孔胞元与相邻微孔胞元在X方向上通过直边相互对齐紧密连接；在Y方向上通过弧边相互平行、对齐紧密连接。所述材料在X方向和Y方向都具有负泊松比特性，当其中一个方向受到拉伸时，另一个方向发生膨胀；该方向受到压缩时，另一个方向发生收缩。本实用新型的材料，可以作为缓冲材料应用在受力变形方面，通过其自身变形抵消了外力的作用，从而大大提高了材料的抗负载能力。
Description
技术领域
本实用新型涉及材料科学技术领域，尤其涉及一种具有负泊松比特性的二维周期性材料。
背景技术
以著名的法国数学家西蒙·泊松命名的泊松比，定义为负的横向收缩应变与纵向伸长应变之比。用公式表示为：
v＝-εy/εx
其中，εy表示材料的横向收缩应变；εx表示材料的纵向伸长应变，x,y分别为两相互垂直的坐标轴。区别于普通材料，对一个负泊松比材料做纵向拉伸实验时其轴向发生膨胀，当压缩材料试件时其轴向发生收缩。正因为负泊松比材料具有不同于普通材料的特性，所以在很多情况下这类材料表现出的物理机械性能要远远优于普通材料，包括抗冲击性能、抗断裂性能、回弹韧性、剪切模量等特性。
日常生活生产中诸如机械、电子、医疗行业，为了减少对设备的损坏都会要求其具有良好的物理机械性能以承受外界载荷的作用，但是大部分设备都是普通金属材料组成，在其受到较大载荷作用时极易发生拉溃变形，甚至直接导致报废，大大增加了生产中对设备的运营和维护成本。为了解决这个问题，本实用新型提供一种具有负泊松比特性的二维周期性材料。
专利号为CN 105965930 A涉及一种内六角负泊松比蜂窝的制备方法，包括下列步骤：第一步：原料基材经过涂胶、叠层、然后热压得到蜂窝叠块；接下来将所述蜂窝叠块拉伸、定型得到过拉伸白蜂窝块，该过拉伸白蜂窝块的孔格的截面形状为矩形；第二步：对所述第一步制得的过拉伸白蜂窝块进行首次浸胶，然后进行热处理使浸胶的胶液半固化；第三步：在工装架上，对所述过拉伸白蜂窝块的孔格进行压缩，该压缩是对所述孔格的长边的中部进行，使所述孔格相对的长边的中部向对折弯；第四步：对压缩后的蜂窝进行浸胶固化，得到内六角负泊松比蜂窝。虽然本文所述的内凹负泊松比蜂窝通过上述步骤制备了出来，但是由于孔格相对的长边的中部向对折弯，同样存在尖角，导致所述蜂窝在受到外部载荷时出现应力集中，且很容易在受到较大载荷作用时发生拉溃变形，所以文本中并没有解决设备在受到较大载荷作用时发生拉溃变形，甚至直接导致报废的问题。
专利号为CN 106641088 A涉及一种复合材料负泊松比蜂窝隔振抗冲击装置，包括：复合材料面板(1)、负泊松比蜂窝芯(2)、外封板(3)、内封板(4)、底封板(5)组成，焊接构成装置整体。该装置底封板与地板通过螺栓连接，机械设备安放于复合材料面板之上，用螺栓连接。虽然本文所述的复合材料负泊松比蜂窝隔振抗冲击装置，克服了传统设备基座笨重低效的缺点，但是由于蜂窝孔径大小不一致，使的装置中的蜂窝芯不能均匀承受外部载荷，大大减弱了抗负载能力。本文中蜂窝芯结构同样出现了尖角，同时还提到了采用真空焊接制备蜂窝芯，无论尖角还是焊接其内部肯定会出现应力集中，在其承受较大外部载荷时，极易出现拉溃变形。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种具有负泊松比特性的二维周期性材料，可以作为缓冲材料应用在受力变形方面，通过其自身变形抵消了外力的作用，从而大大提高了材料的抗负载能力。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种具有负泊松比特性的二维周期性材料，由单个微孔胞元在二维平面上周期性排列而成，所述单个微孔胞元的形状为一个异型四边形，所述异型四边形又由两条弧边和两条直边通过首尾连接组成。
进一步的，所述异型四边形中的弧边关于横轴对称设置，直边关于竖轴对称设置。
进一步的，所述弧边由凸凹相间、直径相等的三段圆弧边相切光滑连接而成，中间一段凹圆弧边的弧长是其两端凸圆弧边的弧长之和。
进一步的，所述单个微孔胞元中的每一条直边的边长都等于圆弧边所对应圆的直径长度。
进一步的，所述单个微孔胞元与相邻微孔胞元在X方向上通过直边相互对齐紧密连接；在Y方向上通过单个微孔胞元与相邻微孔胞元的弧边相互平行且对齐紧密连接。
进一步的，所述材料是选自聚酰胺、聚苯醚、聚碳酸酯和聚丙烯腈的一种或几种。
进一步的，所述材料其中一个方向受到拉伸时，另一个方向发生膨胀；该方向受到压缩时，另一个方向发生收缩。
本实用新型的有益效果如下：
(1)本实用新型所述的材料在X方向和Y方向都具有负泊松比特性，且当其中一个方向受到拉伸时，另一个方向发生膨胀；该方向受到压缩时，另一个方向发生收缩；(2)本实用新型所述的材料选自聚酰胺、聚苯醚、聚碳酸酯和聚丙烯腈的一种或几种，可以作为缓冲材料应用在受力变形方面，通过其自身变形抵消了外力的作用，从而大大提高了材料的抗负载能力；(3)所述材料单个微孔胞元中的每一条弧边又由凸凹相间、直径相等的三段圆弧边相切光滑连接而成，所以当X方向和Y方向受到拉伸或压缩时，微孔胞元中的弧边并不会产生集中应力。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例整个结构示意图；
图2为本实用新型实施例单个微孔胞元的结构示意图；
图3为本实用新型实施例单个微孔胞元与相邻微孔胞元相互连接的结构示意图；
图4为本实用新型实施例在拉伸中的应力传递方向示意图；
图5为本实用新型实施例在拉伸载荷作用后的有限元变形结构示意图；
上述附图标记：1直边，2弧边；201第一段凸圆弧边，202第二段凹圆弧边，203第三段凸圆弧边；L直边长，t孔壁厚。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步详细说明，但不用来限制本实用新型的范围。
如图1所示，本实用新型提供了一种具有负泊松比特性的二维周期性材料，是由相邻微孔胞元通过弧边2之间以及直边1之间相互连接而成。所述材料其中一个方向受到拉伸时，另一个方向发生膨胀；该方向受到压缩时，另一个方向发生收缩。所述材料单个微孔胞元中的弧边2由凸凹相间、直径相等的三段圆弧边相切光滑连接而成，所以当X方向和Y方向受到拉伸或压缩时，微孔胞元中的弧边2并不会产生集中应力。
如图2所示，所述材料的单个微孔胞元的形状为一个异型四边形，由两条弧边2和两条直边1通过首尾连接组成，同时弧边2关于横轴对称设置，直边1关于竖轴对称设置。所述材料单个微孔胞元中的每一条弧边2又由凸凹相间、直径相等的三段圆弧边相切光滑连接而成，第二段凹圆弧边202的弧长是第一段凸圆弧边201和第三段凸圆弧边203弧长的总和，每一条直边1的直边长L等于弧边2包含的三段圆弧边所对应圆的直径长度，且三段圆弧边所对应的圆的直径也相等。所述材料单个微孔胞元的孔壁厚为t。
如图3所示，所述单个微孔胞元与相邻微孔胞元在X方向的连接呈周期性，且通过直边相互对齐紧密连接；在Y方向的连接也呈周期性，此时的连接方式为单个微孔胞元与相邻微孔胞元的弧边相互平行且对齐紧密连接。以上两种连接方式在连接处的孔壁厚为2t。
为了验证本实施例提供的一种具有负泊松比特性的二维周期性材料所具有的负泊松比特性和抗负载能力，将本实施例提供的一种具有负泊松比特性的二维周期性材料在ANSYS软件中建立有限元模型。为了更好地对本实施方式进行仿真模拟，所以保证不影响仿真结果的情况下在所述材料的左右两端部设计两个实体。
仿真结果如下：
如图4所示，当在所述材料左右两端部施加大小相等方向相反的拉伸载荷时，可以发现微孔胞元结构中的应力都是沿着结构指向所述材料的外部及两端部，使得所述材料的中部向外膨胀，体现出了负泊松比特性。
如图5所示，该示意图说明了所述材料在受到大小相等方向相反的拉伸载荷后有限元变形情况，其中所施加载荷的大小为10000N、直边1的长度L为42.42mm以及连接处的孔壁厚2t为2mm，可以发现越靠近中部向外膨胀变形越大，由于所述材料在二维平面内具有周期性，使得每个微孔胞元都能均匀承受外部载荷，提高了所述材料的力学性能及抗负载能力，所以在受到10000N的大载荷时并没有发生拉溃情况。
本实施例说明了一种具有负泊松比特性的二维周期性材料的单个微孔胞元以及微孔胞元在二维平面上的周期性排列方式。通过在ANSYS软件中建立有限元模型发现微孔胞元结构中的应力都是沿着结构指向所述材料的外部及两端部，使得所述材料的中部向外膨胀，证实了其具有负泊松比特性。所述材料在二维平面内具有周期性，使得每个微孔胞元都能均匀承受外部载荷，提高了所述材料的力学性能及抗负载能力，所以在受到10000N的大载荷时并没有发生拉溃情况。
综上，本实用新型的具有负泊松比特性的二维周期性材料，涉及了材料的单个微孔胞元和微孔胞元在二维平面上周期性排列方式，通过ANSYS有限元仿真证实了所述材料具有负泊松比特性。所述材料微孔胞元中的每一条弧边又由凸凹相间、直径相等的三段圆弧边相切光滑连接而成，所以当X方向和Y方向受到拉伸或压缩时，微孔胞元中的弧边并不会产生集中应力，所以受负载时出现裂纹的可能性大大降低。所述材料在二维平面内具有周期性，使得每个微孔胞元都能均匀承受外部载荷，提高了所述材料的力学性能。所述材料是选自聚酰胺、聚苯醚、聚碳酸酯和聚丙烯腈的一种或几种，可以作为缓冲材料应用在受力变形方面，通过其自身变形抵消了外力的作用，从而大大提高了材料的抗负载能力。
以上显示和描述了本实用新型的目的、主要特征、技术方案和有益效果。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的技术构思和特点，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (6)
1.一种具有负泊松比特性的二维周期性材料，其特征在于：由单个微孔胞元在二维平面上周期性排列而成，所述单个微孔胞元的形状为一个异型四边形，所述异型四边形又由两条弧边和两条直边通过首尾连接组成。
2.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的二维周期性材料，其特征在于：所述异型四边形中的弧边关于横轴对称设置，直边关于竖轴对称设置。
3.根据权利要求2所述的一种具有负泊松比特性的二维周期性材料，其特征在于：所述弧边由凸凹相间、直径相等的三段圆弧边相切光滑连接而成，中间一段凹圆弧边的弧长是其两端凸圆弧边的弧长之和。
4.根据权利要求3所述的一种具有负泊松比特性的二维周期性材料，其特征在于：所述单个微孔胞元中的每一条直边的边长都等于圆弧边所对应圆的直径长度。
5.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的二维周期性材料，其特征在于：所述单个微孔胞元与相邻微孔胞元在X方向上通过直边相互对齐紧密连接；在Y方向上通过单个微孔胞元与相邻微孔胞元的弧边相互平行且对齐紧密连接。
6.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的二维周期性材料，其特征在于：所述材料其中一个方向受到拉伸时，另一个方向发生膨胀；该方向受到压缩时，另一个方向发生收缩。
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| CN112762124A (zh) * | 2021-01-15 | 2021-05-07 | 武汉理工大学 | 一种具有任意曲边的负泊松比蜂窝结构 |
| CN114016633A (zh) * | 2021-12-07 | 2022-02-08 | 河北工业大学 | 一种具有负泊松比效应的防屈曲支撑 |
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