一种可编程仿生负泊松比结构及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种可编程仿生负泊松比结构，包括蒙皮以及仿生负泊松比结构元胞，其特征在于，所述的仿生负泊松比结构元胞规则地顺序排列并相互连接，其中仿生负泊松比结构元胞由上胞壁、中胞壁、下胞壁和胞腔组成，其中胞腔为位于上胞壁、中胞壁、下胞壁所围成的空间内部，其中仿生负泊松比结构元胞为纵向轴对称结构；本发明专利技术还公开了一种可编程仿生负泊松比结构的设计方法，通过该方法设计的仿生负泊松比结构具有更好的负泊松比结构特性以及能量吸收性能，能显著减少结构的应力集中问题，该设计方法可快速实现仿生负泊松比结构设计参数的可编程设计，从而根据不同的应用对象进一步提升部件的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于负泊松比结构设计领域，具体是一种可编程仿生负泊松比结构及设计方法。
技术介绍
负泊松比结构的材料在受到轴向拉伸时，材料在垂直于力的方向上产生膨胀；而当受到轴向压缩时，材料在垂直于外力方向上产生收缩。由于材料本身具备的这种新型特性，负泊松比材料的力学性能如剪切模量和压痕阻力得到了加强，同时负泊松比材料也表现出刚度增强且具有更高的能量吸收特性。负泊松比结构的材料在压缩或者碰撞时具有更高的能量吸收特性，这一特性在汽车关键零部件中的恰当应用能显著提升汽车安全性能并有效降低汽车的重量，使汽车在性能和节能环保等方面具有更好的表现。相比于负泊松比材料，其负泊松比结构中微观结构的尺寸和形状易于控制，更利于在工程中广泛应用。传统手信型和星型的二维负泊松比结构具有周期性微观结构且形状易于控制的优点，然而由于是二维结构，负泊松比特性只在某个特定的轴向进行压缩或拉伸时才能体现，因此其应用受到了一定的限制，且其微观形状较为复杂，不易于制造生产。为进一步提升负泊松比特性和扩展负泊松比结构的应用范围，二维箭头型负泊松比结构被提出且被成功延伸到三维。尽管双箭头型负泊松比结构在性能和应用方面取得了显著的进步，但负泊松比结构容易在基本单元的交接处产生应力集中，从而导致其耐久性和可靠性较差；与此同时，双箭头型负泊松比结构的能量吸收性能和零件的比吸能有待进一步加强和提高，且其性能较难根据不同的应用对象进行可编程设计，从而限制了应用部件的性能。因此，提高结构的能量吸收特性，且可以根据不同对象进行特定设计不同的负泊松比结构一直是本领域技术人员待解决的技术难题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种可编程仿生负泊松比结构及设计方法，该可编程仿生负泊松比结构的能量吸收特性得到进一步提高且可以根据不同对象进行特定设计，可编程仿生负泊松比结构能显著减少结构的应力集中问题，从而提高负泊松比的耐久性和可靠性。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种可编程仿生负泊松比结构，包括蒙皮以及仿生负泊松比结构元胞，其特征在于，所述的仿生负泊松比结构元胞规则地顺序排列并相互连接，形成的多层仿生负泊松比结构元胞位于两层蒙皮之间，并且两层蒙皮与最上层以及最下层的仿生负泊松比结构元胞相连接；所述的仿生负泊松比结构元胞由上胞壁、中胞壁、下胞壁和胞腔组成，其中胞腔为位于上胞壁、中胞壁、下胞壁所围成的空间内部；其中仿生负泊松比结构元胞为纵向轴对称结构，在其轴对称的结构中，上胞壁的左右结构分别与中胞壁的左右轴对称结构相连接，中胞壁左右轴对称结构再与下胞壁相连接，所形成的内部空间由胞腔填充，通过这样的规则地排列使得该结构具有更好的负泊松比结构特性以及能量吸收性能，可编程仿生负泊松比结构能显著减少结构的应力集中问题。进一步，上层仿生负泊松比结构元胞的下胞壁所形成的凸出部分与其下层仿生负泊松比结构元胞的上胞壁所形成的凹陷部分连接，且相邻相互连接的上下左右四个仿生负泊松比结构元胞间形成了一个三边内凹的三角形，这样的排列结构相较于传统负泊松比结构，由于避免了杆状基本的单元的交接，从而提高负泊松比的耐久性和可靠性。本专利技术还公开了一种可编程仿生负泊松比结构的设计方法，具体步骤如下，1)首先在对仿生负泊松比结构进行设计，首先根据仿生负泊松比结构的用途及其对于最佳性能的要求来确定可编程仿生负泊松比结构的性能目标曲线；2)然后利用MATLAB分别建立仿生负泊松比结构元胞和蒙皮的参数化模型，并进行组成形成仿生负泊松比结构的参数化模型，运用平方相关系数对参数化模型进行精度的初步评判，满足精度要求则进行下一步，不满足则重新建立仿生负泊松比结构元胞和蒙皮的参数化模型直至满足要求；进一步，仿生负泊松比结构元胞设计变量参数发生变化时，利用仿生负泊松比结构的参数化模型快速生成其有限元分析模型。本专利技术公开的一种可编程仿生负泊松比结构的设计方法，还包括如下步骤，3)基于仿生负泊松比结构参数化模型，利用拉丁超立方采样方法和响应面模型，建立可编程仿生负泊松比结构目标性能与负泊松比结构的设计参数之间的数学模型，近似模型的精度同样使用平方相关系数进行验证；通过拉丁超立方采样方法生成试验样本点，响应面模型所需的最少试验点数由二阶多项式响应面代理模型的阶数和设计变量的个数决定，其中生成仿生负泊松比结构二阶多项式响应面代理模型时所需的最少的试验点数K，K＝(m+1)*(m+2)/2，式中，m为仿生负泊松比结构进行设计时设计变量的个数，采用近似模型计算来减少仿生负泊松比结构的计算时间和提高计算效率，同时采用的采用拉丁超立方采样方法来生成试验设计样本点从而使试验设计点在设计空间能更加均匀并提高近似模型的精度；4)利用模拟退火算法进行迭代优化，优化获取最优可编程仿生负泊松比结构，其中以现有性能曲线和性能目标曲线的差值作为优化目标，利用模拟退火算法对仿生负泊松比结构元胞设计变量进行迭代优化，直至可编程仿生负泊松比结构的性能曲线满足设计目标，不满足设计目标则返回步骤3)，直至满足要求。进一步，所述的仿生负泊松比结构元胞设计变量包括仿生负泊松比结构元胞胞壁的长度、胞壁的厚度、胞壁的宽度、胞壁间的夹角。进一步，所述的满足迭代优化终止的设计目标为所获优化结果使目标性能曲线达到最优或者达到设计者初始时设置的最大迭代次数；其中最优的判定条件是优化性能曲线上n个参考点与目标性能曲线对应的参考点的差值小于ε或者优化性能曲线之间的差值可以忽略不计，公式如下： Σ i = 1 n D i n < ϵ ]]>Di＝|fi-ti|其中，fi是优化性能曲线在第i个参考点上的值，ti是目标性能曲线在第i个参考点上的值，Di是优化性能曲线与目标性能曲线在第i个参考点上的差值，ε是初始指定的一个数学常值，参考点的个数n及其位置一般由设计者在开始设计时根据目标性能曲线的形状和复杂程度进行设定，形状越复杂，则n越大，且参考点应尽可能在性能曲线上均匀分布。进一步，基于最优的可编程仿生负泊松比结构设计参数，利用仿生负泊松比结构参数化模型快速生成最优设计结构的有限元分析模型，进行相关性能分析并验证可编程仿生负泊松比结构设计的有效性。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.提出了一种可编程仿生负泊松比结构，该结构通过规则地排列使得该结构具有更好的负泊松比结构特性以及能量吸收性能，可编程仿生负泊松比结构能显著减少结构的应力集中问题；2.相较于传统负泊松比结构，可编程仿生负泊松比结构的相互连接、排列规整，避免了杆状基本的单元的交接，从而提高负泊松比的耐久性和可靠性；3.提出了一种可编程仿生负泊松比结构的设计方法，通过建立可编程仿生负泊松比结构参数化模型，通过拉丁超立方采样方法、响应面近似模型和模拟退火算法，以目标性能曲线和优化性能曲线上参考点的差值为优化目标，提高近似模型的精度，可快速实现仿生负泊松比结构设计参数的可编程设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可编程仿生负泊松比结构，包括蒙皮(1)以及仿生负泊松比结构元胞(2)，其特征在于，所述的仿生负泊松比结构元胞(2)规则地顺序排列并相互连接，形成的多层仿生负泊松比结构元胞(2)位于两层蒙皮(1)之间，并且两层蒙皮(1)与最上层以及最下层的仿生负泊松比结构元胞(2)相连接；所述的仿生负泊松比结构元胞(2)为纵向轴对称结构，其截面呈规则的六边形，由纵向轴对称的两个上胞壁(3)、两个中胞壁(4)及两个下胞壁(5)围成，所围成的中间区域为胞腔(6)。

【技术特征摘要】
1.一种可编程仿生负泊松比结构，包括蒙皮(1)以及仿生负泊松比结构元胞(2)，其特征在于，所述的仿生负泊松比结构元胞(2)规则地顺序排列并相互连接，形成的多层仿生负泊松比结构元胞(2)位于两层蒙皮(1)之间，并且两层蒙皮(1)与最上层以及最下层的仿生负泊松比结构元胞(2)相连接；所述的仿生负泊松比结构元胞(2)为纵向轴对称结构，其截面呈规则的六边形，由纵向轴对称的两个上胞壁(3)、两个中胞壁(4)及两个下胞壁(5)围成，所围成的中间区域为胞腔(6)。2.根据权利要求1所述的可编程仿生负泊松比结构，其特征在于，上层仿生负泊松比结构元胞的两个下胞壁(5)所形成的凸出部分与其下层仿生负泊松比结构元胞的两个上胞壁(3)所形成的凹陷部分连接，且相邻的上下左右四个仿生负泊松比结构元胞(2)间形成了一个三边内凹的三角形。3.一种可编程仿生负泊松比结构的设计方法，其特征在于，具体步骤如下，1)首先根据仿生负泊松比结构元胞的形状、结构参数，选取仿生负泊松比结构元胞(2)的设计变量，确定可编程仿生负泊松比结构的目标性能曲线；2)然后利用MATLAB分别建立仿生负泊松比结构元胞和蒙皮的参数化模型，并进行组成形成仿生负泊松比结构的参数化模型，参数化模型满足精度要求进行下一步；若不满足则重新建立参数化模型，直至满足要求。4.根据权利要求3所述的可编程仿生负泊松比结构的设计方法，其特征在于，所述步骤1)中仿生负泊松比结构元胞设计变量参数发生变化时，利用仿生负泊松比结构的参数化模型快速生成其有限元分析模型。5.一种可编程仿生负泊松比结构的设计方法，其特征在于，还包括如下步骤，3)基于仿生负泊松比结构参数化模型，利用拉丁超立方采样方法和响应面模型，建立可编程仿生负泊松比结构目标性能与负泊松比结构的设计参数之间的数学模型；生成响应面模型所需的最少试验点数由二阶多项式响应面代理模型的阶数和设计变量的个数决定，其中生成仿生负泊松比结构二阶多项式响应面代理模型时所需的最少的试验点数K，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周冠，赵万忠，王春燕，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32