同时具有拉胀-压胀性质的结构、点阵材料与点阵圆柱壳制造技术

本发明专利技术属于新型结构设计和点阵材料设计领域，涉及一种同时具有拉胀‑压胀性质的结构、点阵材料与点阵圆柱壳。首先利用拉伸弹簧的接触非线性产生的局部拉压不对称机理，形成一类在特定方向上单轴拉伸和单轴压缩下均可以产生横向膨胀的二维结构与点阵材料。通过将该类二维结构在两个方向上进行组合，形成拉伸和压缩同时膨胀的三维结构与点阵材料；同时可以利用二维拉胀‑压胀结构作为单胞形成点阵圆柱壳。本发明专利技术的结构和材料可以作为特定功能材料，在吸能、减振、医疗、波传播、智能元器件等领域具有应用前景。

Structure, lattice material and lattice cylindrical shell with the properties of both tension expansion and compression expansion

【技术实现步骤摘要】
同时具有拉胀-压胀性质的结构、点阵材料与点阵圆柱壳
本专利技术属于新型结构设计和点阵材料设计领域，涉及一种同时具有拉胀-压胀性质的结构、点阵材料与点阵圆柱壳，该类点阵材料在特定方向下压缩时具有负泊松比效应，拉伸时具有正泊松比效应。
技术介绍
泊松比是指材料在轴向拉伸或轴向压缩时，横向线应变和轴向线应变比值的相反数，其表达式为：其中，ε1是材料的轴向线应变，ε2是材料的横向线应变。因此泊松比是反映材料横向变形的弹性常数，也叫横向弹性系数。传统材料在沿载荷方向产生伸长(或缩短)变形的同时，在垂直于载荷的方向会产生缩短(或膨胀)的变形。根据泊松比的定义，绝大多数传统材料都具有正的泊松比。也有一些人工设计的材料具有负泊松比，这类材料具有与传统材料相反的力学行为，其在轴向受拉时会发生横向膨胀，轴向受压时会发生横向收缩。
技术实现思路
本专利技术提供了一种同时具有拉胀-压胀性质的新型结构及其作为单胞构成的点阵材料与点阵圆柱壳，该类点阵材料具有异于传统材料和负泊松比材料的泊松比特性。本专利技术提出了一种新型的设计原理和变形机制，在结构中引入拉伸弹簧模块，使结构在受拉和受压时总是有一半的拉伸弹簧处于受拉伸长状态，另一半的拉伸弹簧处于受压接触状态，利用结构的接触非线性产生局部的拉压不对称，从而实现结构的拉伸和压缩同时膨胀。本专利技术提供了实现该功能特性的两种二维构型，一种为对称结构，一种为非对称结构。本专利技术还提供了实现该功能的三维构型，三维拉胀-压胀结构可以由两个二维结构交叉构成，也可以由四个二维结构围成一个长方体构成。同时，本专利技术还提供一类二维及三维点阵材料，这类点阵材料是由上述二维及三维结构作为单胞在空间阵列构成，该类点阵材料具备在轴向拉伸和轴向压缩下均能发生横向膨胀的异常力学特性。本专利技术的技术方案：一种同时具有拉胀-压胀性质的结构，包括二维拉胀-压胀结构和三维拉胀-压胀结构两种形式，具体如下：(1)二维拉胀-压胀结构，包括两种形式：第一种、上下左右均对称的二维拉胀-压胀结构：由四根轴向肋板和八个相同的拉伸弹簧构成，其中四根轴向肋板包括两根相同的长肋板和两根相同的短肋板；八个弹簧分成两组，每组四个弹簧组成一个正方形结构，正方形的一条对角线由一个短肋板连接；长肋板和短肋板相互平行放置，短肋板位于两个长肋板之间；长肋板两端分别连接两个拉伸弹簧组成的正方形的相对角点，长肋板的长度为短肋板长度的两倍；所有拉伸弹簧与轴向肋板的夹角均为45°，拉伸弹簧的间隙、尺寸、参数等可以根据实际条件进行调整。第二种、左右对称、上下不对称的二维拉胀-压胀结构：由四根轴向肋板和八个相同的拉伸弹簧构成；拉伸弹簧分为两组，每四个拉伸弹簧分别构成一个正方形和一个十字形；由拉伸弹簧构成的正方形结构，其中一条对角线由一条轴向肋板连接；由拉伸弹簧构成的十字结构，其一个夹角处连接一根轴向肋板，并且该肋板长度为正方形结构中轴向肋板长度的一半；将两组结构在竖直方向并排放置，并使其中的两根轴向肋板位于同一条直线上；将两根轴向肋板左侧的一个正方形角点和两个十字形端点通过一根轴向肋板连接，将两根轴向肋板右侧的一个正方形角点和两个十字形端点通过一根轴向肋板连接，该轴向肋板的长度为连接正方形弹簧模块对角线的轴向肋板长度的两倍；所有拉伸弹簧与轴向肋板的夹角均为45°，拉伸弹簧的间隙、尺寸、参数等可以根据实际条件调整。(2)三维拉胀-压胀结构，通过二维拉胀-压胀结构在三维空间中组合构成，包括两种形式：第一种、由两个二维拉胀-压胀结构构成，具体方式为：选取(1)中任意一种二维拉胀-压胀结构作为基本构型，使两个二维拉胀-压胀结构所在平面相互垂直并且将两个二维拉胀-压胀结构在两根短肋板处合并，两个二维拉胀-压胀结构交叉构成十字形的三维拉胀-压胀结构。第二种、由四个二维拉胀-压胀结构构成，具体方式为：选取(1)中任意一种二维拉胀-压胀结构作为基本构型，将四个二维拉胀-压胀结构在长肋板处首尾相连并使两两垂直，围成一个正方形截面，构成一个长方体的三维拉胀-压胀结构。一类同时具有拉胀-压胀性质的点阵材料，由上述同时具有拉胀-压胀性质的结构作为单胞构成，包括两种形式；(1)将二维拉胀-压胀结构作为单胞在其所在平面内进行周期阵列，将相邻单胞结构的长肋板两两合并可以构成二维点阵材料；(2)将三维拉胀-压胀结构作为三维单胞在三维空间进行周期阵列，将相邻单胞的长肋板合并，可以构成三维点阵材料。一种同时具有拉胀-压胀性质的点阵圆柱壳，采用二维拉胀-压胀结构作为单胞，取一条平行于单胞轴向肋板的轴线作为圆柱壳的轴线，使二维拉胀-压胀结构绕圆柱壳的轴向做环向阵列并合并相邻单胞的轴向肋板，构成环形结构，将环形结构在轴线方向阵列合并，构成同时具有拉胀-压胀性质的点阵圆柱壳。该圆柱壳无论是轴向受拉还是轴向受压，圆柱壳直径都会扩大。本专利技术的有益效果：本专利技术提出了一类新型的结构，这类新型结构无论是单轴受拉还是单轴受压都会在横向上发生膨胀。由这种新型结构作为单胞构成的点阵材料具有异于寻常的泊松比特性，这种新型点阵材料在轴向受拉时，其横向发生膨胀，力学行为与负泊松比材料一致，具有负泊松比效应；当轴向受压时，其横向也会膨胀，力学行为与传统材料一致，具有正泊松比效应。单一材料同时具备正泊松比和负泊松比，无论是轴向拉伸还是轴向压缩，都会产生横向膨胀的变形。这种反常的力学性能可以作为特定功能材料，在吸能、减振、医疗、波传播、智能元器件等领域具有应用前景。附图说明图1(a)和图1(b)是两种二维拉胀-压胀结构示意图，其中，图1(a)为上下对称结构，图1(b)为上下非对称结构。图2(a)～图2(c)是第一种二维拉胀-压胀结构拉压变形示意图，其中，图2(a)是其结构原始构型，图2(b)是其单轴拉伸变形示意图，图2(c)是其单轴压缩变形示意图。图3(a)～图3(c)是第二种二维拉胀-压胀结构拉压变形示意图，其中，图3(a)是其结构原始构型，图3(b)是其单轴拉伸变形示意图，图3(c)是其单轴压缩变形示意图。图4(a)和图4(b)是分别由两种二维拉胀-压胀结构作为单胞构成的二维点阵材料。图5(a)和图5(b)、图6(a)和图6(b)分别是图4(a)和图4(b)中两种二维点阵材料的拉伸膨胀和压缩膨胀变形示意图，其中，图5(a)和图6(a)为压缩膨胀变形，图5(b)和图6(b)为压缩膨胀变形。图7(a)给出一种拉胀-压胀点阵圆柱壳示意图，图7(b)是其轴向拉伸膨胀的变形模式，图7(c)是其轴向压缩膨胀的变形模式。图8(a)～图8(d)是分别由两种二维拉胀-压胀结构作为基本单元构建的四种三维拉胀-压胀结构。图9(a)～图9(c)是图8中第一种三维拉胀-压胀结构变形模式示意图，图9(a)是其初始构型，图9(b)是其轴向拉伸后的变形模式，图9(c)是其轴向压缩后的变形模式。图10给出由图8中第一种三维拉胀-压胀结构作为单胞构成的三维拉胀-压胀点阵材料结构示意图。具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同时具有拉胀-压胀性质的结构，包括二维拉胀-压胀结构和三维拉胀-压胀结构两种形式，其特征在于，具体如下：/n(1)二维拉胀-压胀结构，包括两种形式：/n第一种、上下左右均对称的二维拉胀-压胀结构：由四根轴向肋板和八个相同的拉伸弹簧构成，其中四根轴向肋板包括两根相同的长肋板和两根相同的短肋板；八个弹簧分成两组，每组四个弹簧组成一个正方形结构，正方形的一条对角线由一个短肋板连接；长肋板和短肋板相互平行放置，短肋板位于两个长肋板之间；长肋板两端分别连接两个拉伸弹簧组成的正方形的相对角点，长肋板的长度为短肋板长度的两倍；所有拉伸弹簧与轴向肋板的夹角均为45°，拉伸弹簧的间隙、尺寸和参数根据实际条件进行调整；/n第二种、左右对称、上下不对称的二维拉胀-压胀结构：由四根轴向肋板和八个相同的拉伸弹簧构成；拉伸弹簧分为两组，每四个拉伸弹簧分别构成一个正方形和一个十字形；由拉伸弹簧构成的正方形结构，其中一条对角线由一条轴向肋板连接；由拉伸弹簧构成的十字结构，其一个夹角处连接一根轴向肋板，并且该肋板长度为正方形结构中轴向肋板长度的一半；将两组结构在竖直方向并排放置，并使其中的两根轴向肋板位于同一条直线上；将两根轴向肋板左侧的一个正方形角点和两个十字形端点通过一根轴向肋板连接，将两根轴向肋板右侧的一个正方形角点和两个十字形端点通过一根轴向肋板连接，该轴向肋板的长度为连接正方形弹簧模块对角线的轴向肋板长度的两倍；所有拉伸弹簧与轴向肋板的夹角均为45°，拉伸弹簧的间隙、尺寸和参数根据实际条件调整；/n(2)三维拉胀-压胀结构，通过二维拉胀-压胀结构在三维空间中组合构成，包括两种形式：/n第一种、由两个二维拉胀-压胀结构构成，具体方式为：选取(1)中任意一种二维拉胀-压胀结构作为基本构型，使两个二维拉胀-压胀结构所在平面相互垂直并且将两个二维拉胀-压胀结构在两根短肋板处合并，两个二维拉胀-压胀结构交叉构成十字形的三维拉胀-压胀结构；/n第二种、由四个二维拉胀-压胀结构构成，具体方式为：选取(1)中任意一种二维拉胀-压胀结构作为基本构型，将四个二维拉胀-压胀结构在长肋板处首尾相连并使两两垂直，围成一个正方形截面，构成一个长方体的三维拉胀-压胀结构。/n...

【技术特征摘要】
1.一种同时具有拉胀-压胀性质的结构，包括二维拉胀-压胀结构和三维拉胀-压胀结构两种形式，其特征在于，具体如下：
(1)二维拉胀-压胀结构，包括两种形式：
第一种、上下左右均对称的二维拉胀-压胀结构：由四根轴向肋板和八个相同的拉伸弹簧构成，其中四根轴向肋板包括两根相同的长肋板和两根相同的短肋板；八个弹簧分成两组，每组四个弹簧组成一个正方形结构，正方形的一条对角线由一个短肋板连接；长肋板和短肋板相互平行放置，短肋板位于两个长肋板之间；长肋板两端分别连接两个拉伸弹簧组成的正方形的相对角点，长肋板的长度为短肋板长度的两倍；所有拉伸弹簧与轴向肋板的夹角均为45°，拉伸弹簧的间隙、尺寸和参数根据实际条件进行调整；
第二种、左右对称、上下不对称的二维拉胀-压胀结构：由四根轴向肋板和八个相同的拉伸弹簧构成；拉伸弹簧分为两组，每四个拉伸弹簧分别构成一个正方形和一个十字形；由拉伸弹簧构成的正方形结构，其中一条对角线由一条轴向肋板连接；由拉伸弹簧构成的十字结构，其一个夹角处连接一根轴向肋板，并且该肋板长度为正方形结构中轴向肋板长度的一半；将两组结构在竖直方向并排放置，并使其中的两根轴向肋板位于同一条直线上；将两根轴向肋板左侧的一个正方形角点和两个十字形端点通过一根轴向肋板连接，将两根轴向肋板右侧的一个正方形角点和两个十字形端点通过一根轴向肋板连接，该轴向肋板的长度为连接正方形弹簧模块对角线的轴向肋板长度的两倍；所有拉伸弹簧与轴向肋板的夹角均为45°，拉伸弹簧的间隙、尺寸和...

【专利技术属性】
技术研发人员：亢战，吴文俊，刘湃，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21