基于等比例坐标变换的应力控制器件与方法技术

本发明专利技术公开了一种基于等比例坐标变换的应力控制器件与方法，应力控制器件包括基体，基体具有多个阵列分布且彼此连接形成为二维网格结构的结构单元，结构单元形成为具有多个连接体的正多边形，相邻两个连接体相连形成有连接节点且相邻两个结构单元的相邻两个连接体共用一个，位于基体的中部的结构单元发生变形以使基体分为：基础结构区域、中心孔洞区域和坐标变换区域。根据本发明专利技术实施例的应力控制器件，通过坐标变换改变连接节点位置、然后将连接体的长度和连接体的其他参数等比例地改变的方式，可以实现控制整体结构中的应力分布，从而减小中心孔洞区域存在而引起的应力集中问题，且结构简单，参数容易计算，便于进行结构设计。

Stress controller and method based on equal proportion coordinate transformation

The invention discloses a stress controller and method of coordinate transformation based on the ratio of the stress control device comprises a substrate, substrate having a plurality of arrays and connected to each other form a structural unit lattice structure, structural unit formed with a plurality of connected polygon, two adjacent connecting body is formed there are two structural units connected adjacent nodes and two adjacent connection sharing a central unit located in the matrix structure, the deformation of the matrix is divided into: basic structure of regional, regional and regional coordinate transformation center hole. According to the stress control device of the embodiment of the invention, through coordinate transformation to change the connection node location, and then connect the connector body length and other parameters in proportion to change the way that can control the stress distribution of the whole structure, thereby reducing the center hole area has caused the problem of stress concentration. And has the advantages of simple structure, easy to calculate parameters for structure design.

【技术实现步骤摘要】
基于等比例坐标变换的应力控制器件与方法
本专利技术涉及力学
，更具体地，涉及一种基于等比例坐标变换的应力控制器件与方法。
技术介绍
人工结构目前已经能够实现在力学、电磁学、热学、声学等领域的特殊性能材料，达到前所未有的奇特性质。其中，在力学方面，通过人工结构设计，可以制造特异泊松比结构、超轻结构、冲击吸收结构等具有传统材料所不能实现的性能的结构。然而，要控制结构的应力分布以方便工程设计，则必须面对复杂且难以设计的四阶弹性张量C，只能以各向各向同性或简单的各向异性材料为基础进行结构设计。近年来，一种包含双梯形或双圆台的二维或三维结构被提出，其具有极高的体积弹性模量与剪切模量的比，这一类似液体的结构参数具有较为重要的设计意义。对于一种网格结构，当其包含远大于网格晶格常数的中心孔洞区域时，在受力情形下将产生较为严重的应力集中，将容易产生拉断或压溃，这对于结构承载非常不利。如能在一定程度削弱中心孔洞区域对结构整体受力的影响，则能够拓展此类网格结构的应用范围。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种基于等比例坐标变换的应力控制器件，所述应力控制器件通过连接体结构参数的变换可以削减中心孔洞区域对于网格结构应力集中的影响。本专利技术还提出了一种基于等比例坐标变换的应力控制方法。根据本专利技术实施例的基于等比例坐标变换的应力控制器件，所述应力控制器件包括基体，所述基体具有多个阵列分布且彼此连接形成为二维网格结构的结构单元，所述结构单元形成为具有多个连接体的正多边形，相邻两个所述连接体相连形成有连接节点且相邻两个所述结构单元的相邻两个连接体共用一个，位于所述基体的中部的结构单元发生变形以使所述基体变化为：位于外侧的基础结构区域，所述基础结构区域的所述结构单元未变形；位于内侧的中心孔洞区域，所述中心孔洞区域由处于所述基体的中部的所述结构单元各边等比例向外扩展后限定出；坐标变换区域，所述坐标变换区域位于所述基础结构区域和所述中心孔洞区域之间，所述坐标变换区域具有沿所述中心孔洞区域的径向分布的多个，所述坐标变换单元的每个所述结构单元沿所述中心孔洞区域的径向向外平移并压缩，且使沿所述中心孔洞区域的周向延伸的连接体拉伸，其中，拉伸前后的每个所述连接节点与距离所述中心孔洞区域的中心的距离分别为r和r′，拉伸前后的每个所述连接体相对于所述中心孔洞区域的中心的圆心角分别为θ和θ′，拉伸前后的每个所述连接体的长度分别为L和L′,拉伸前后的每个所述连接体的最大宽度分别为W和W′，所述中心孔洞区域的半径为R1，所述坐标变换区域的半径为R2，各参数拉伸前后的关系如公式所示，根据本专利技术实施例的基于等比例坐标变换的应力控制器件，通过坐标变换改变连接节点位置、然后将连接体的长度和连接体的其他参数等比例地改变的方式，可以实现控制整体结构中的应力分布，从而减小中心孔洞区域存在而引起的应力集中问题。另外，根据本专利技术上述实施例的基于等比例坐标变换的应力控制器件，还可以具有如下附加的技术特征：根据本专利技术实施例的基于等比例坐标变换的应力控制器件，拉伸前后的所述连接节点的宽度不变。由此，通过控制一部分变量，可以简化参数的计算，利于进行结构设计。可选地，所述正多边形为正六边形。相比于其他正多边形构成的网格结构，所述正六边形的网格结构可以在相同的网格结构面积下，具有较少的节点，方便计算。根据本专利技术实施例的基于等比例坐标变换的应力控制器件，所述连接体的截面宽度从中部向两端逐渐递减。由此可以使经过拉伸后的连接件性能相对稳定。可选地，所述连接体的截面形成为下底边对接相连的双梯形。由此，通过截面形状为双梯形的连接体，可以使连接体发生变化的参数更加直观。进一步地，所述连接体形成为板状或柱状。由此可以使所述网格结构更加稳定。根据本专利技术进一步的实施例，所述基体由任意线弹性各向同性材料或处于线弹性各向同性阶段的材料制成。由此，材料的弹性模量、密度对本专利技术的应力控制效果没有影响；材料的泊松比对本专利技术的应力控制效果影响非常微小，在实际应用中可以忽略。进一步地，所述基体为金属基体或聚合物基体。由此，制造本专利技术实施例的应力控制器件的材料易于获得。可选地，所述基体为一体形成件。由此，可以提高器件的整体结构稳定性和强度，并且变形时不易发生损坏，应力集中问题少。根据本专利技术实施例的基于等比例坐标变换的应力控制器件，包括以下步骤：获取所述基体；在所述基体的中部选取一个所述结构单元进行各边等比例向外扩展，并使与其邻近的所述结构单元沿其径向向外平移并压缩，以形成所述中心孔洞区域和所述坐标变换区域。进一步地，所述基体切割、铸造或增材制造形成。由此，可通过多种方式获取所述基体。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是相关技术中具有中心孔洞区域的基体的结构示意图；图2是根据本专利技术实施例的应力控制器件的结构示意图；图3是根据本专利技术实施例的应力控制器件的基体的结构示意图；图4是根据本专利技术实施例的应力控制器件的结构单元的结构示意图；图5是根据本专利技术实施例的应力控制器件的变化前后的连接体截面的结构示意图；图6是根据本专利技术实施例的应力控制器件的制造方法流程图；图7是基体、现有技术中具有中心孔洞区域的基体、应力控制器件在承受载荷时产生的应力和位移分布图。附图标记：应力控制器件100；基体101；现有技术中具有中心孔洞区域的基体102’；基础结构区域10；中心孔洞区域20；坐标变换区域30；结构单元40；连接节点50；连接体60。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本专利技术的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本专利技术的范围由权利要求及其等同物限定。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“径向”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专利技术和简化描述，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专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。下面参考附图描述根据本专利技术实施例的基于等比例坐标变换的应力控制器件100。如图1-图7所示，根据本专利技术实施例的应力控制器件100包括基体101，基体101具有多个阵列分布且彼此连接形成为二维网格结构的结构单元40。换言之，基体101包含多个结构单元40，多个结构单元40阵列分布，彼此连接形成二维网格结构。结构单元40形成为具有多个连接体60的正多边形，相邻两个连接体60相连形成有连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于等比例坐标变换的应力控制器件，其特征在于，包括基体，所述基体具有多个阵列分布且彼此连接形成为二维网格结构的结构单元，所述结构单元形成为具有多个连接体的正多边形，相邻两个所述连接体相连形成有连接节点且相邻两个所述结构单元的相邻两个连接体共用一个，位于所述基体的中部的结构单元发生变形以使所述基体变化为：位于外侧的基础结构区域，所述基础结构区域的所述结构单元未变形；位于内侧的中心孔洞区域，所述中心孔洞区域由处于所述基体的中部的所述结构单元各边等比例向外扩展后限定出；坐标变换区域，所述坐标变换区域位于所述基础结构区域和所述中心孔洞区域之间，所述坐标变换区域具有沿所述中心孔洞区域的径向分布的多个，所述坐标变换单元的每个所述结构单元沿所述中心孔洞区域的径向向外平移并压缩，且使沿所述中心孔洞区域的周向延伸的连接体拉伸，其中，拉伸前后的每个所述连接节点与距离所述中心孔洞区域的中心的距离分别为r和r′，拉伸前后的每个所述连接体相对于所述中心孔洞区域的中心的圆心角分别为θ和θ′，拉伸前后的每个所述连接体的长度分别为L和L′,拉伸前后的每个所述连接体的最大宽度分别为W和W′，所述中心孔洞区域的半径为R1，所述坐标变换区域的半径为R2，...

【技术特征摘要】
1.一种基于等比例坐标变换的应力控制器件，其特征在于，包括基体，所述基体具有多个阵列分布且彼此连接形成为二维网格结构的结构单元，所述结构单元形成为具有多个连接体的正多边形，相邻两个所述连接体相连形成有连接节点且相邻两个所述结构单元的相邻两个连接体共用一个，位于所述基体的中部的结构单元发生变形以使所述基体变化为：位于外侧的基础结构区域，所述基础结构区域的所述结构单元未变形；位于内侧的中心孔洞区域，所述中心孔洞区域由处于所述基体的中部的所述结构单元各边等比例向外扩展后限定出；坐标变换区域，所述坐标变换区域位于所述基础结构区域和所述中心孔洞区域之间，所述坐标变换区域具有沿所述中心孔洞区域的径向分布的多个，所述坐标变换单元的每个所述结构单元沿所述中心孔洞区域的径向向外平移并压缩，且使沿所述中心孔洞区域的周向延伸的连接体拉伸，其中，拉伸前后的每个所述连接节点与距离所述中心孔洞区域的中心的距离分别为r和r′，拉伸前后的每个所述连接体相对于所述中心孔洞区域的中心的圆心角分别为θ和θ′，拉伸前后的每个所述连接体的长度分别为L和L′,拉伸前后的每个所述连接体的最大宽度分别为W和W′，所述中心孔洞区域的半径为R1，所述坐标变换区域的半径为R2，2.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵乾，海凌宇，孟永钢，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11