[發明專利]基于曲率設計的三維可控拉脹結構與材料

有效

• 申請號: 202010725607.1
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111859487B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發明（設計）人: 王新福;汪聃;王偉國;李先雨;郝剛領
• 申請（專利權）人: 延安大學
• 主分類號: G06F30/10
• 分類號: G06F30/10;G06T17/00;G16C60/00;G06F113/10
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙) 61223
• 代理人: 崔瑞迎

本發明屬于結構優化和材料技術領域，具體涉及一種基于曲率設計的三維可控拉脹結構與材料。所述三維可控拉脹結構是由若干3D單胞結構在三維空間內周期排列連接而成的立體結構；所述立體結構表現出負泊松比效應；所述3D單胞結構是由不同尺寸的直桿和一定曲率的彎曲桿件組成的結構單元，或所述3D單胞結構是全部由一定曲率的彎曲桿件組成的結構單元；所述3D單胞結構具有空間平移對稱性。本發明針對目前三維負泊松比結構與材料存在應力集中和構型單一的問題，提供了一種可設計性好、性能可控性強、應力集中小、強度高的拉脹結構與材料。

技術領域

本發明屬于結構優化和材料技術領域，具體涉及一種基于曲率設計的三維可控拉脹結構與材料。

背景技術

隨著工程技術對輕質、高強材料需求的日益增加，使得周期性有序點陣材料應運而生，這種點陣結構的設計可以使材料表現出不尋常或前所未有的物理和機械特性，也被稱為超構材料。作為力學超構材料重要的一類，拉脹超構材料由于人工獨特的結構設計，而呈現出拉脹效應(也稱負泊松比效應)，即具有在拉伸載荷下膨脹，壓縮載荷下收縮的力學特性，這種反常的“拉脹”行為使其表現出一系列更加優異的力學和物理特性，如更高的能量吸收本領、阻尼特性、剪切模量、壓痕阻力、斷裂韌性等優良的力學性能，同時可以通過改變單胞的構型，內部填充等實現力學、聲學和電學等性能的調控，這些優異的特性均使拉脹材料和結構在航空航天、交通、阻尼減振、傳感器、生物醫學等領域具有廣闊的應用前景，已成為世界各國材料研究的前沿領域。

泊松比的定義為彈性體在受到縱向拉伸時，橫向收縮應變與縱向伸長應變的比值的負值。自然界的材料，泊松比大部分都在0.3～0.5之間，負泊松比材料在自然界存在較少，20世紀早期研究者發現黃鐵礦，砷、鎘等少數材料可在低應變下表現出負泊松比效應。但作為一種可設計性材料的概念，直到20世紀80年代才由Lakes提出，并首次制備了具有負泊松比性質的泡沫聚氨酯材料。20世紀90年代后Evans等人把這種具有負泊松比性質的材料命名為拉脹胞狀材料(以下簡稱拉脹材料)，此后人們對拉脹材料才有了正確認識，具有多孔結構的拉脹材料才不斷被設計、合成與制備，尺度涵蓋了微觀分子到宏觀結構范圍，其特殊的力學性能使拉脹材料迅速發展。

拉脹結構根據其單胞構型及空間結構形式分為二維(2D)和三維(3D)拉脹結構，其中2D拉脹結構最早被提出，也是目前研究最廣泛的結構。與2D拉脹結構和材料相比，3D拉脹結構與材料具有更加優異的力學和功能特性，然而其結構復雜，制備合成面臨著巨大挑戰。近年來，隨著激光選區熔化、電子束選區熔化、激光直寫等增材制造技術的發展，使得制備復雜形狀的3D拉脹結構與材料成為了可能，3D周期性拉脹材料也成為了目前材料領域研究的焦點。

然而，目前拉脹結構的設計主要集中在單胞桿件為直桿的情況，構型單一，應力集中明顯，三維彎曲桿件(一定曲率的桿件)構成的拉脹材料未見報道。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基于曲率設計的三維可控拉脹結構與材料。

本發明的目的是提供一種基于曲率設計的三維可控拉脹結構，所述三維可控拉脹結構是由若干3D單胞結構在三維空間內周期排列連接而成的立體結構；所述立體結構表現出負泊松比效應；

所述3D單胞結構是由不同尺寸的直桿和一定曲率的彎曲桿件組成的結構單元，或所述3D單胞結構是全部由一定曲率的彎曲桿件組成的結構單元；所述3D單胞結構具有空間平移對稱性；

所述彎曲桿件的曲率半徑大于等于1mm。

優選的，上述基于曲率設計的三維可控拉脹結構，所述3D單胞結構的設計參數包括直桿或彎曲桿件的截面形狀、直桿直徑、彎曲桿件直徑、彎曲桿件的曲率半徑、直桿長度、兩直桿之間的間距；

所述直桿或彎桿的截面形狀為圓形、矩形或者U形，所述直桿的直徑范圍是0.1～10.0mm，彎曲桿件直徑范圍是0.2～10mm，所述直桿長度范圍是5.0～100.0mm，兩直桿之間的間距范圍是5.0～100.0mm。