大拉伸量下具有可调节拉胀特性的剪纸超材料及其设计方法技术

一种大拉伸量下具有可调节拉胀特性的剪纸超材料及其设计方法，剪纸超材料由多个有序排布的方形单胞构成，多个单胞在剪纸超材料内周期性、梯度性或非规则性排布，对应的剪纸超材料分别具有均匀拉胀特性、梯度拉胀特性和指定非均匀拉胀特性。其设计方法为：首先，采用结构优化方法，充分考虑面外变形约束，得到单胞构型的启发式设计。其次，对上述步骤得到的优化结果进行几何重构与参数建模，并获得不同几何参数下的拉胀特性。最后，根据特定的排布顺序对多种单胞构型进行排布，构造剪纸超材料。本发明专利技术通过修改剪口参数，能给实现多种随拉伸量大小可调节的拉胀特性变化趋势；与已有的剪纸超材料相比，本发明专利技术在结构设计、使用范围和应用前景具有明显优势。

【技术实现步骤摘要】
大拉伸量下具有可调节拉胀特性的剪纸超材料及其设计方法
本专利技术属于超材料领域，涉及一种在大拉伸量下具有可调节拉胀特性的剪纸超材料及其结构体设计方法。
技术介绍
剪纸超材料是在薄片结构上，通过剪口的有序(周期、梯度、非规则)排布，获得特定等效力学性能的一类力学超材料，具有易制造性、大延展性、减少材料浪费和快速的载荷响应等优点。拉胀剪纸超材料在受到纵向拉伸载荷作用下产生横向膨胀变形，这种拉胀特性可表示为横向变形平均值与纵向伸长量比值的负值。目前，已有的拉胀剪纸超材料是基于人工经验或者采用反复试错方法设计获得，包含的剪口排布具有镜像对称、手性对称或反手性对称形式。上述的拉胀剪纸超材料在伸长量超过样件尺寸一定比例(通常小于10％)时，发生不稳定的面外屈曲变形，导致无法保持指定的拉胀特性。这一方面是由于薄片结构具有很小的面外刚度，另一方面是由于预置剪口以及剪口布局降低了局部区域的面外刚度。同时，已有的拉胀剪纸超材料在大拉伸量下，还易产生高应变(或高应力)，导致基体材料失效甚至破坏，对超材料的可靠性、变形可恢复性和等效性能造成负面影响。这两方面的性能缺陷限制了剪纸超材料的实际应用。因此，提供一种拉胀剪纸超材料，实现随拉伸量可调节的满足特定变化规律的拉胀特性，同时具有变形可恢复性，是剪纸超材料领域亟待解决的技术问题，对剪纸超材料的推广应用具有重要意义。
技术实现思路
针对上述技术不足，本专利技术提供了一种拉胀剪纸超材料，及用于实现在大拉伸量下，具有可调节拉胀特性的剪纸超材料的设计方法。该剪纸超材料在受到拉伸载荷产生大拉伸量下，能够实现可调节的拉胀特性，并且获得良好的变形可恢复性，同时兼具制备工艺简单、适用于多种基体材料的优点。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种大拉伸量下具有可调节拉胀特性的剪纸超材料，所述剪纸超材料1由多个有序排布的方形单胞2构成，所述有序排布指：多个方形单胞2在剪纸超材料1内周期性、梯度性或非规则性排布，对应的剪纸超材料1分别具有均匀拉胀特性、梯度拉胀特性和指定非均匀拉胀特性。所述的一个方形单胞2边长L、厚度t，由一个1/4方形域3和由该1/4方形域分别沿着单胞内部的x轴/y轴6镜像得到的另外三个1/4方形域组成。所述的一个1/4方形域3中预置两条形状相同的剪口5，两条剪口5之间满足沿该1/4方形域中心旋转对称。在一个完整的方形单胞2中，所有剪口5的布局满足沿单胞中心点反手性对称。所述的一个1/4方形域3中的所有剪口5均具有均匀宽度w，其中一条剪口5的一个剪口尖端4位于所述1/4方形域的一个顶点11，另一个剪口尖端4呈圆弧状，其半径为w/2，位于所述1/4方形域内部。所述的一条剪口5为细长的三段折线型，从1/4方形域一个顶点11起，由直线型的剪口首段7、剪口中段8和剪口末段9三部分组成，并由以下剪口参数描述：剪口首段7、中段8和末段9的中心线10的长度分别为L1、L2和L3；所述剪口首段7与所述1/4方形域3底部边界夹角为θ1，剪口中段8与y轴平行，剪口中段8与剪口末段9的相对夹角为θ2，且θ2始终位于所述剪口的中段8靠近单胞边界的一侧。进一步的，所述的用于描述一个方形单胞2构型的几何参数取值范围如下：参数t/L的变化范围为0.0033-0.0167，可根据设计需求以及选用的基体材料与制造技术，选定一个单胞的尺寸L及厚度t；参数L1/L的变化范围为0.33-0.44；参数L2/L的变化范围为0.08-0.39；参数L3/L的变化范围为0.10-0.29；参数θ1的变化范围为0°-11.5°；参数θ2的变化范围为60°-160°；参数w/L的变化范围为0.001-0.033。所有参数均可取变化范围的端点值。当θ1＝0°时，剪口首段7的中心线10与1/4方形域3的边界重叠，此时剪口首段7的宽度为w/2，在单胞对称轴处与其他1/4方形域内的剪口首段7组成宽度为w的剪口首段。进一步的，所述剪纸超材料1的基体材料可选用金属或高分子聚合物(橡胶、PET或PVC)。针对所述的基体材料，所述剪纸超材料可采用刀刻、激光切割、水切割或3D打印技术制造。一种大拉伸量下具有可调节拉胀特性的剪纸超材料的设计方法，其步骤如下：S1.采用结构优化方法，充分考虑面外变形约束，得到单胞构型的启发式设计，具体如下：首先，选用一个方形单胞2作为设计域，在其边界施加周期性边界条件，模拟所述单胞在超材料的真实变形，同时节约计算分析成本，缩短设计周期。其次，预置人为指定数量的自由曲线型剪口20，将自由曲线型剪口20的排布位置、形状和长度作为设计变量，将自由曲线型剪口20的长度及最大曲率作为约束条件。进而，选用梯度、智能或两者结合的优化算法更新设计变量，优化剪口的位置、形状和长度，获得指定拉胀特性的单胞构型，完成单胞构型的启发式设计。所述迭代优化过程中：对单胞进行有限元分析以获取其在加载过程中的变形。首先对单胞进行线性屈曲分析，并将分析得到的低阶模态作为初始几何缺陷引入到有限元模型中，修改节点坐标。选用非线性有限元方法求解在拉伸载荷下的变形响应，并计算拉胀特性值，充分考虑复杂的面外屈曲变形对拉胀特性的影响。S2.对步骤S1得到的优化结果进行几何重构与参数建模，并获得不同几何参数下的拉胀特性，具体如下：将优化的单胞构型中的自由曲线型剪口20重构为三段折线型剪口22，除便于参数描述外，还有助于提升剪纸超材料的制备精度；采用三段折线型剪口22中各线段的长度及分布角度作为参数，描述几何重构后包含三段折线型剪口22的单胞构型23。开展参数学习，在指定的参数范围区间内遍历所有剪口参数，获得相应的单胞拉胀性能。S3.对步骤S2得到的多个参数化单胞按照周期、梯度或非规则的形式进行排布，构造剪纸超材料，具体如下：选用多个采用相同剪口参数描述的单胞进行周期排列，构造具有均匀拉胀特性的剪纸超材料；选用多个采用不同剪口参数描述的单胞进行梯度或非规则排列，构造具有梯度或指定非均匀拉胀特性的剪纸超材料。进一步的，步骤S1中曲线型剪口20的中心线10的描述方法包括但不限于B样条插值函数、非均匀有理B样条插值函数或解析曲线函数描述。进一步的，步骤S1中所述的非线性有限元方法包括但不限于Newton-Raphson法或改进弧长法；所述的优化算法包括但不限于非线性序列二次规划算法(梯度算法)和遗传算法(智能算法)。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术提供的剪纸超材料在拉伸量不超过样件尺寸50％的单向拉伸载荷作用下，始终能够在5-50％拉伸量之间获得指定的拉胀特性值，还可通过修改剪口参数，实现多种随拉伸量大小可调节的拉胀特性变化趋势。(2)设计过程中充分考虑了面外屈曲变形，使得所述剪纸超材料能够合理地利用这些面外屈曲变形显著减小面内应力，从而获得在大拉伸量下的变形恢复特性。(3)本专利技术提供的剪纸超材料可包含周期、梯度或非规则排布的多个单胞，分别获得了均匀分布、梯度变化和指定非均匀分布的拉胀特性。与已有的剪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大拉伸量下具有可调节拉胀特性的剪纸超材料，其特征在于，所述剪纸超材料(1)由多个有序排布的方形单胞(2)构成，所述有序排布指：多个方形单胞(2)在剪纸超材料(1)内周期性、梯度性或非规则性排布，对应的剪纸超材料(1)分别具有均匀拉胀特性、梯度拉胀特性和指定非均匀拉胀特性；/n所述的一个方形单胞(2)边长L、厚度t，由一个1/4方形域(3)和由该1/4方形域分别沿着单胞内部的x轴/y轴(6)镜像得到的另外三个1/4方形域组成；所述的一个1/4方形域(3)中预置两条形状相同的剪口(5)，两条剪口(5)之间满足沿该1/4方形域中心旋转对称；在一个完整的方形单胞(2)中，所有剪口(5)的布局满足沿单胞中心点反手性对称；/n所述的一个1/4方形域(3)中的所有剪口(5)均具有均匀宽度w，其中一条剪口(5)的一个剪口尖端4位于所述1/4方形域的一个顶点(11)，另一个剪口尖端4呈圆弧状，其半径为w/2，位于所述1/4方形域内部；所述的一条剪口(5)为细长的三段折线型，从1/4方形域一个顶点(11)起，由直线型的剪口首段(7)、剪口中段(8)和剪口末段(9)三部分组成，并由以下剪口参数描述：剪口首段(7)、中段(8)和末段(9)的中心线(10)的长度分别为L...

【技术特征摘要】
1.一种大拉伸量下具有可调节拉胀特性的剪纸超材料，其特征在于，所述剪纸超材料(1)由多个有序排布的方形单胞(2)构成，所述有序排布指：多个方形单胞(2)在剪纸超材料(1)内周期性、梯度性或非规则性排布，对应的剪纸超材料(1)分别具有均匀拉胀特性、梯度拉胀特性和指定非均匀拉胀特性；
所述的一个方形单胞(2)边长L、厚度t，由一个1/4方形域(3)和由该1/4方形域分别沿着单胞内部的x轴/y轴(6)镜像得到的另外三个1/4方形域组成；所述的一个1/4方形域(3)中预置两条形状相同的剪口(5)，两条剪口(5)之间满足沿该1/4方形域中心旋转对称；在一个完整的方形单胞(2)中，所有剪口(5)的布局满足沿单胞中心点反手性对称；
所述的一个1/4方形域(3)中的所有剪口(5)均具有均匀宽度w，其中一条剪口(5)的一个剪口尖端4位于所述1/4方形域的一个顶点(11)，另一个剪口尖端4呈圆弧状，其半径为w/2，位于所述1/4方形域内部；所述的一条剪口(5)为细长的三段折线型，从1/4方形域一个顶点(11)起，由直线型的剪口首段(7)、剪口中段(8)和剪口末段(9)三部分组成，并由以下剪口参数描述：剪口首段(7)、中段(8)和末段(9)的中心线(10)的长度分别为L1、L2和L3；所述剪口首段(7)与所述1/4方形域(3)底部边界夹角为θ1，剪口中段(8)与y轴平行，剪口中段(8)与剪口末段(9)的相对夹角为θ2，且θ2始终位于所述剪口的中段(8)靠近单胞边界的一侧。


2.根据权利要求1所述的一种大拉伸量下具有可调节拉胀特性的剪纸超材料，其特征在于，所述的用于描述一个方形单胞(2)构型的几何参数取值范围如下：参数t/L的变化范围为0.0033-0.0167；参数L1/L的变化范围为0.33-0.44；参数L2/L的变化范围为0.08-0.39；参数L3/L的变化范围为0.10-0.29；参数θ2的变化范围为60°-160°；参数w/L的变化范围为0.001-0.033；参数θ1的变化范围为0°-11.5°，且当θ1＝0°时，剪口首段(7)的中心线(10)与1/4方形域(3)的边界重叠，此时剪口首段(7)的宽度为w/2。


3.根据权利要求1所述的一种大拉伸量下具有可调节拉胀特性的剪纸超材料，其特征在于，所述剪纸超材料(1)的基体材料选用金属或高分子聚合物，采用刀刻、激光切割、水切割或3D打印技术制造。


4.一种权利要求1-3任一所述的大拉伸量下具有可调节拉胀特...

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