[發明專利]一種含異形孔洞的低孔隙率負泊松比結構

有效

• 申請號: 201710339870.5
• 申請日: 2017-05-15
• 公開（公告）號: CN107016220B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 陳文炯;汪嘉興;劉書田
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17;G06F119/18;F16S5/00;F01D25/12
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 趙淑梅;李洪福

本發明公開了一種含異形孔洞的低孔隙率負泊松比結構，包括實體結構，以及排列在所述實體結構上的多個異形孔；所述異形孔為具有兩條對稱軸的軸對稱圖形；所述多個異形孔的中心點按矩陣排布，中心點位于奇數行奇數列和偶數行偶數列的所述異形孔呈豎直設置或呈水平設置，中心點位于奇數行偶數列和偶數行奇數列的所述異形孔與中心點位于奇數行奇數列和偶數行偶數列的所述異形孔的設置方式相反。本發明無論在拉伸或是壓縮載荷下均具有明顯的負泊松比性質，填補了現有的多孔結構無法在低孔隙率下具有負泊松比性質的空白，通過適當調節L₂，A₂以及q，可以得到等效泊松比接近于?1的低孔隙率負泊松比結構，設計方法簡單，結構的幾何構型易于編程式調節。

技術領域

本發明涉及一種含異形孔洞的低孔隙率負泊松比結構，屬于負泊松比結構設計領域。

背景技術

泊松比是指材料在單向受拉或受壓時，橫向(與加載方向垂直的方向)正應變與軸向(加載方向)正應變的比值，其數學表達式為：

其中，ε₁為軸向拉伸或壓縮的應變，ε₂為與加載方向垂直的橫向應變。盡管根據經典彈性理論，材料的泊松比可以為負，但只有少數的天然材料具有負泊松比性質，即在縱向受到拉伸(壓縮)時，橫向會發生擴張(收縮)，即“拉脹”特性。由于天然的負泊松比材料種類較少，且材料的拉脹性能不易再改變，很難將其直接應用于實際中作為結構或功能材料。因此，利用人工設計的方法來獲得負泊松比材料結構構型具有非常重要的科學和工程價值。

人工合成的負泊松比結構往往具有不同的微結構形式，根據其產生拉脹效果的變形機理不同，可以將負泊松比結構大致分為以下幾種類型：一是基于內凹型單胞的負泊松比結構，二是基于手性單胞的負泊松比結構，三是基于剛性旋轉單胞的負泊松比結構，四是基于彈性不穩定性的負泊松比結構。其中，基于內凹型單胞和手性單胞的負泊松比結構的結構孔隙率往往很大；基于剛性旋轉單胞的負泊松比結構中的剛性面之間往往通過鉸點相連接，結構形式復雜；基于彈性不穩定性的負泊松比結構需要在特定拉伸或壓縮載荷下才能表現出拉脹效果。

目前，在低孔隙率條件下還難以獲得性能穩定的負泊松比結構構型，而在某些特殊的裝置中低孔隙率負泊松比材料具有非常重要的應用前景，如燃氣輪機的氣膜冷卻裝置中需要采用2％～10％孔隙率的負泊松比材料。因此，設計一種具有負泊松比性質的低孔隙率結構具有十分重要的意義。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供了一種含異形孔洞的低孔隙率負泊松比結構，該結構能夠在低孔隙率下具有負泊松比的性質，并且在拉伸載荷作用下能夠表現出明顯的“拉脹”效果。

本發明采用的技術手段如下：

一種含異形孔洞的低孔隙率負泊松比結構，包括實體結構，以及排列在所述實體結構上的多個異形孔；

所述異形孔為具有兩條對稱軸的軸對稱圖形；

所述多個異形孔的中心點按矩陣排布，中心點位于奇數行奇數列和偶數行偶數列的所述異形孔呈豎直設置或呈水平設置，中心點位于奇數行偶數列和偶數行奇數列的所述異形孔與中心點位于奇數行奇數列和偶數行偶數列的所述異形孔的設置方式相反。

所述含異形孔洞的低孔隙率負泊松比結構由多個周期性排布的單胞組成，所述單胞的橫截面為正方形；

橫截面呈正方形的單胞具有中心孔，所述中心孔為所述呈水平設置的異形孔或所述呈豎直設置的異形孔；

當所述中心孔為所述呈水平設置的異形孔時，所述橫截面呈正方形的單胞的四個頂點分別為與所述中心孔相鄰的四個呈水平設置的異形孔的中心點；

當所述中心孔為所述呈豎直設置的異形孔時，所述橫截面呈正方形的單胞的四個頂點分別為與所述中心孔相鄰的四個呈豎直設置的異形孔的中心點。