一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件制造技术

一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件，为弹性材料科学技术领域。该一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元，为回形结构，包括两条镜像对称布置的侧边和平行对称的两条横梁，其中，侧边由双材料组成，为双材料侧边，呈现负泊松比效应。该双材料大刚度多孔负泊松比结构部件为立体结构，由多个双材料大刚度多孔负泊松比胞元经过三维排列组成。对该结构部件进行有限元数值模拟，结果验证，其具有的负泊松比效应，并具有高于传统蜂窝结构的刚度性能，该具有大刚度的结构设计扩大了负泊松比结构的应用范围，且可根据该种结构的自适应刚度性能的变化来实现减震吸能等作用。

A dual material large stiffness porous negative Poisson's ratio cell and its structural components

A bimaterial large stiffness porous negative Poisson's ratio cell and its structural components are used in the field of elastic materials science and technology. The bimaterial large stiffness porous negative Poisson's ratio cell is a clockwise structure consisting of two mirror symmetrically arranged side beams and two parallel symmetrically arranged cross beams, in which the side is composed of two materials and the side is a bimaterial side, showing a negative Poisson's ratio effect. The bimaterial structure with large stiffness and porous negative Poisson's ratio is a three-dimensional structure, which consists of several bimaterial cells with large stiffness and porous negative Poisson's ratio arranged in three dimensions. Finite element numerical simulation of the structure shows that the structure has negative Poisson's ratio effect and has higher stiffness performance than traditional honeycomb structure. The design of the structure with large stiffness enlarges the application range of the structure with negative Poisson's ratio, and can reduce the vibration according to the change of the adaptive stiffness performance of the structure. Energy absorption and other functions.

【技术实现步骤摘要】
一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件
本专利技术涉及弹性材料科学
，具体涉及一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件。
技术介绍
泊松比是法国科学家西蒙·泊松(SimonDenisPoisson，1781-1840)最先发现并提出的，定义为负的横向收缩应变与纵向伸长应变之比。传统材料受到压缩(拉伸)时横向应变为正(负)，而纵向应变为负(正)，可知材料的泊松比为正，自然界中绝大多数材料具有正的泊松比值，且在0.3附近，橡胶类材料为1/2，金属铝为0.133，铜为0.127，典型的聚合物泡沫为0.11～0.14等。对于各向同性材料，由于应变能的非负要求，弹性理论表明，泊松比v为-1＜ν＜1/2。根据经典弹性理论，二维各向同性材料的极限泊松比为-1到1，而三维各向同性材料的泊松比取值范围为-1到0.5。与传统材料相反，负泊松比材料在受到单轴拉伸时横向应变则产生外胀现象，其单轴拉伸时变形示意图见图1(b)，因此，负泊松比材料亦即称为“拉胀材料”，因此横向应变与纵向应变均为正，由泊松比的定义可知此时材料的泊松比是负的。而传统材料单轴拉伸时变形示意图见图1(a)。作为一种新型材料，负泊松比材料较传统材料具有更多特殊而优越的力学性能，如剪切模量大、断裂韧度高、吸能效率高、比强度和比刚度高等优点，使得该种材料具有更广阔的应用前景。自美国著名材料科学家Lakes教授利用工业热塑性开孔泡沫首次制得泊松比为-0.7的各向同性泡沫材料，并对其进行力学性能分析之后，负泊松比材料逐渐成为了材料学家关注的焦点之一。大量研究表明，当材料的结构具有负泊松比效应时，结构刚度性能较差，使得负泊松比结构的应用受限，故本专利技术研究设计一种双材料大刚度多孔负泊松比结构，弥补负泊松比结构刚度性能较差的缺点。
技术实现思路
本专利技术提出了一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件，该结构部件是由两种材料组成的具有负泊松比效应的多孔结构，对该结构进行有限元数值模拟，结果验证，该结构具有的负泊松比效应，并具有高于传统蜂窝结构的刚度性能，该具有大刚度的结构设计扩大了负泊松比结构的应用范围，且可根据该种结构的自适应刚度性能的变化来实现减震吸能等作用。本专利技术的一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元，为回形结构，包括两条镜像对称布置的侧边和平行对称的两条横梁，其中，侧边由双材料组成，为双材料侧边，呈现负泊松比效应；所述的双材料为两种不同弹性模量材料，其中，第一弹性模量材料的弹性模量和第二弹性模量材料的弹性模量的比值≥10；所述的侧边以第一弹性模量材料为主，第二弹性模量材料间隔设置在侧边的内侧和外侧，其中，单个胞元中，侧边两端的内侧设置有第二弹性模量材料，侧边中间的外侧设置有第二弹性模量材料，两条相对的侧边的镜像内侧第二弹性模量材料通过横梁相连。所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，作为优选，设置在侧边外侧的第二弹性模量材料长度等于设置在侧边端部内侧的第二弹性模量材料的长度。第二弹性模量材料设置在第一弹性模量材料的内嵌宽度l1为双材料侧边的宽度l0的关系为0.1≤l1/l0＜1。作为优选，所述的第一弹性模量材料的弹性模量÷第二弹性模量材料的弹性模量＝10～1011。作为优选，所述的横梁采用第一弹性模量材料。所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，相对两条横梁之间的距离为H0，横梁的宽度为h0，相对两条双材料侧边之间的距离为L0，双材料侧边的宽度为l0，设置在侧边中间外侧的第二弹性材料的长度为h1，设置在侧边中间外侧的第二弹性材料的内嵌宽度为l1，横梁两端的第二弹性材料的距离为l，双材料侧边两端的第二弹性材料的距离为h2；本专利技术的一种双材料大刚度多孔负泊松比结构部件，为立体结构，该双材料大刚度多孔负泊松比结构部件由多个双材料大刚度多孔负泊松比胞元经过三维排列组成。所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元的具体排列方式，优选为，胞元以XZ平面进行阵列排列；在X方向上，相邻的胞元共用一条双材料侧边，每个胞元的双材料侧边上的外侧第二弹性模量材料，由相邻胞元的横梁对称分割，作为两个相邻胞元的双材料侧边的内侧第二弹性模量材料，从而进行阵列排列；在Z方向上，相邻的胞元共用一条横梁，进行阵列排列；在Y方向上，XZ形成的n个二维单层平面进行相互对称堆叠，并且每两个二维单层之间的间隔以X方向和Z方向的排列方式进行排列胞元，n≥1。本专利技术的一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件，相比于现有负泊松比结构，具有如下优点：采用ANSYS/APDL参数化建模方法完成对二维双材料大刚度多孔负泊松比结构的设计，利用有限元分析方法研究了双材料几何尺寸参数h1/h0和l1/l0对结构力学性能的影响，且随着不同几何参数的组合，结构可实现从正泊松比到负泊松比的调节，最小泊松比值可达到-5.469；当l1/l0的比值小于0.577时，二维双材料大刚度多孔负泊松结构具有较正六边形蜂窝结构模型更高的刚度性能；附图说明图1为材料单轴拉伸时变形示意图；其中，(a)为传统材料单轴拉伸时变形示意图，(b)为负泊松比材料单轴拉伸时变形示意图；图2为本专利技术实施例1的双材料大刚度负泊松比结构的胞元的几何结构示意图；图3为本专利技术的双材料大刚度多孔负泊松比结构部件的二维多胞结构示意图；图4为有限元分析二维新型双材料大刚度多孔负泊松比结构中，根据两种不同弹性模量材料的比值(E1/E2)，双材料大刚度多孔负泊松比结构的力学性能曲线；图5为第二弹性模量材料与第一弹性模量材料的尺寸关系与双材料大刚度多孔负泊松比结构泊松比的关系曲线；图6为双材料大刚度多孔负泊松比结构部件的刚度性能，即常量C与第二弹性模量材料与第一弹性模量材料的尺寸关系图；图7为本专利技术实施例2的双材料大刚度多孔负泊松比结构的胞元的几何结构示意图；图8为本专利技术实施例1的双材料大刚度多孔负泊松比结构部件的三维立体结构示意图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的详细说明。实施例1一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元，为回形结构，其几何结构示意图见图2，具体包括两条镜像对称布置的侧边和平行对称的两条横梁，其中，侧边由双材料组成，为双材料侧边，呈现负泊松比效应；所述的双材料为两种不同弹性模量材料，其中，第一弹性模量材料的弹性模量和第二弹性模量材料的弹性模量的比值为1011；所述的侧边以第一弹性模量材料为主，第二弹性模量材料间隔设置在侧边的内侧和外侧，其中，单个胞元中，侧边两端的内侧设置有第二弹性模量材料，侧边中间的外侧设置有第二弹性模量材料，两条相对的侧边的镜像内侧第二弹性模量材料通过横梁相连。所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，设置在侧边外侧的第二弹性模量材料长度等于设置在侧边端部内侧的第二弹性模量材料的长度。第二弹性模量材料设置在第一弹性模量材料的内嵌宽度为双材料侧边的宽度0.1～0.9倍，以步长0.1进行变化。所述的横梁采用第一弹性模量材料。所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，相对两条横梁之间的距离为H0，横梁的宽度为h0，相对两条双材料侧边之间的距离为L0，双材料侧边的宽度为l0，设置在侧边中间外侧的第二弹性材料的长度为h1，设置在侧边中间外侧的第二弹性材料的内嵌宽度为l1，横梁两端的第二弹性材料的距离为l，双材料侧边两端的第二弹性材料的距离为h2；一种双材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元，其特征在于，该双材料大刚度多孔负泊松比胞元为回形结构，包括两条镜像对称布置的侧边和平行对称的两条横梁，其中，侧边由双材料组成，为双材料侧边，呈现负泊松比效应。

【技术特征摘要】
1.一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元，其特征在于，该双材料大刚度多孔负泊松比胞元为回形结构，包括两条镜像对称布置的侧边和平行对称的两条横梁，其中，侧边由双材料组成，为双材料侧边，呈现负泊松比效应。2.如权利要求1所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，其特征在于，所述的双材料为两种不同弹性模量材料，其中，第一弹性模量材料的弹性模量和第二弹性模量材料的弹性模量的比值≥10。3.如权利要求1所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，其特征在于，所述的侧边以第一弹性模量材料为主，第二弹性模量材料间隔设置在侧边的内侧和外侧，其中，单个胞元中，侧边两端的内侧设置有第二弹性模量材料，侧边中间的外侧设置有第二弹性模量材料，两条相对的侧边的镜像内侧第二弹性模量材料通过横梁相连。4.如权利要求1所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，其特征在于，所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，设置在侧边外侧的第二弹性模量材料长度等于设置在侧边端部内侧的第二弹性模量材料的长度。5.如权利要求1所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，其特征在于，第二弹性模量材料设置在第一弹性模量材料的内嵌宽度l1为双材料侧边的宽度l0的关...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东，马杰，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21