泊松比和热膨胀系数可调的新型三维结构制造技术

本实用新型专利技术公开了一种泊松比和热膨胀系数可调的新型三维结构，该三维结构由三维胞元构成，每个三维胞元由四个相同的平行四边形组成，每个平行四边形分为两个相同的三角形单元，每个三角形单元的最长杆和两条斜杆分别具有对应的杆长度且分别由三种材料构成，不同三角形单元几何参数和材料组合的三维结构具有不同的弹性参数和热膨胀系数；在三维结构中，三维胞元沿着其底面平行四边形的其中一条边所在方向作为左右方向周期排列，沿着与该左右方向相垂直的前后方向和上下方向反复镜像分布。本实用新型专利技术通过选择合理的几何参数和材料组合，可大范围调控三维力学超材料的泊松比和热膨胀系数。

【技术实现步骤摘要】
泊松比和热膨胀系数可调的新型三维结构
本技术涉及新型三维结构
，特别涉及一种泊松比和热膨胀系数可调的新型三维结构。
技术介绍
负泊松比材料在拉伸时横向膨胀，压缩时横向收缩，由于其独特的性能，使其在许多方面都具有其他材料无法比拟的优势。并且负泊松比材料的剪切模量、压痕阻力和断裂阻力等物理力学性能有着很大的提升空间。负热膨胀材料是指在一定的温度范围随着温度的变化反常膨胀的一类材料，有着与一般热胀冷缩材料相反的特性。通过膨胀系数异性的材料的掺杂复合，制备出热膨胀系数可控或者膨胀系数接近于0的材料。与负泊松比类似，负热膨胀材料的热膨胀系数在一定温度范围内为负值。由于天然的负热膨胀材料非常稀少，而且力学性能往往难以满足工程需求，于是学者们尝试由两种或多种正膨胀材料制备负热膨胀材料，这其中又以轻质材料为主。轻质负热膨胀材料，按其细观结构热膨胀变形特点可分为弯曲主导型和拉伸主导型两大类。弯曲主导型结构依靠杆件发生弯曲变形从而实现热膨胀调控。拉伸主导型结构每根杆件发生轴向拉压变形而相较于弯曲主导型结构具有更优异的力学性能。尽管学者们在负泊松比材料和负热膨胀材料上做了许多研究，但到目前为止，现存的绝大多数材料在负泊松比和负热膨胀之间只能实现一种，只有少数学者设计出既能实现负泊松比又能实现负热膨胀的材料，例如，Joseph等人设计了具有负泊松比和负热膨胀的三角形结构。AiandGao等人设计了具有负泊松比和非正热膨胀的结构。Ha等人设计了热膨胀可控、泊松比接近-1的结构。Fang等人设计了一种耦合负热膨胀和负泊松比的胞元结构。但泊松比和热膨胀系数可调的结构仍未有研究出来。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种泊松比和热膨胀系数可调的新型三维结构，该结构可通过合理的几何参数和材料组合，实现三维力学超材料的泊松比和热膨胀系数的大范围调控。本技术的目的通过下述技术方案实现：一种泊松比和热膨胀系数可调的新型三维结构，所述三维结构由三维胞元构成，每个三维胞元由四个相同的平行四边形组成，每个平行四边形分为两个相同的三角形单元，每个三角形单元的最长杆和两条斜杆分别具有对应的杆长度且分别由三种材料构成，不同三角形单元几何参数和材料组合的三维结构具有不同的弹性参数和热膨胀系数；在三维结构中，三维胞元沿着其底面平行四边形的其中一条边所在方向作为左右方向周期排列，沿着与该左右方向相垂直的前后方向和上下方向反复镜像分布。优选的，三维胞元在x轴方向和y轴方向上具有相同的弹性参数和热膨胀系数，弹性参数包括杨氏模量和泊松比，其中，x轴和y轴为以三维胞元的形心为原点，三维胞元底面的一个三角形单元的其中一条斜杆所在方向为z轴所构建的笛卡尔坐标系的两个坐标轴，y轴在水平面上与z轴相垂直，x轴在竖直面上与z轴相垂直。更进一步的，对于在x轴方向的上下两个表面，y轴方向的前后两个表面以及位于z轴方向的斜杆的左右两个端点分别承载一定位移的胞元，其等效杨氏模量为：其中，Ez为胞元在z方向上的等效杨氏模量；Ex为胞元在x方向上的等效杨氏模量；Ey为胞元在y方向上的等效杨氏模量；以作为z轴的斜杆作为第一斜杆，三角形单元另一条斜杆作为第二斜杆，N2是第二斜杆的轴力；N3是最长杆的轴力；是两条斜杆的夹角；θ是最长杆和第一斜杆的夹角；u是胞元底面的平行四边形沿着x轴正向移动的距离；L1是第一斜杆的长度；E1是第一斜杆的杨氏模量；A1是第一斜杆的横截面积的四倍。更进一步的，对于在x方向的上下两个表面同时承载一定位移的胞元，其在x、y轴方向和在x、z轴方向的等效泊松比为：其中，νxy是胞元在x、y轴方向的等效泊松比；νxz是胞元在x、z轴方向的等效泊松比；u是胞元底面的平行四边形沿着x轴正向移动的距离；是两条斜杆的夹角；θ是最长杆和第一斜杆的夹角；v是同时连接上下两个表面的平行四边形沿着y轴正向移动的距离；wB是连接上下两个表面的平行四边形中同时连接两条斜杆的端点沿z轴负向移动的距离；wA是连接上下两个表面的平行四边形中同时连接最长杆和第二斜杆的端点沿z轴正向移动的距离。更进一步的，对于在z方向的左右两个端点同时承载一定位移的胞元，其在z、x轴方向的等效泊松比为：νzx是胞元在z、x轴方向的等效泊松比；是两条斜杆的夹角；θ是最长杆和第一斜杆的夹角。更进一步的，对于温度产生变化且承载单位荷载的三维胞元，其在x、y和z轴方向的等效热膨胀系数αx、αy、αz为：其中，t为温度的变化量；L3是最长杆的长度；δAV为承受载荷的端点因温度变化引起的位移；α1是第一斜杆的热膨胀系数；α2是第二斜杆的热膨胀系数；α3是最长杆的热膨胀系数；是两条斜杆的夹角；θ是最长杆和第一斜杆的夹角。更进一步的，由或的三维胞元构建而成的新型三维结构为在x轴和y轴方向零热膨胀系数的三维结构，其中，是两条斜杆的夹角；θ是最长杆和第一斜杆的夹角。优选的，由θ＝90°，或0＜θ＜17°的三维胞元构建而成的新型三维结构为三维零泊松比结构，其中，是两条斜杆的夹角；θ是最长杆和第一斜杆的夹角。本技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：(1)本技术基于三材料的三角形单元设计一种可调节负泊松比和热膨胀系数的三维结构，对于该结构，通过合理的几何参数和材料组合，可以实现三维负泊松比和双向负热膨胀，且三维结构的泊松比和热膨胀系数调节范围大，调节方式也简单方便，能够为同时具有温度敏感性和机械敏感性的结构设计提供参考。(2)对于本技术构建的泊松比和热膨胀系数可调的三维结构，本技术给出了杨氏模量、泊松比以及热膨胀系数等效公式，且还计算出了实现零泊松比和零热膨胀的几何参数条件和材料组合条件，有利于高性能三维力学超材料的研究。附图说明图1为基于三角形单元设计三维桁架结构的示意图，其中，(a)图为由两个三角形单元拼成的平行四边形的示意图；(b)图为三维胞元的示意图；(c)图为四个胞元构成的三维桁架结构的示意图。图2为三维胞元基本计算参数的示意图。图3为施加位移情况下三维胞元的变形示意图。图4为沿垂直于x轴的方向切开胞元的示意图。图5为沿垂直y轴方向切开胞元的示意图。图6为沿垂直z轴方向切开胞元的示意图。图7为沿z轴方向切开四分之一胞元的示意图。图8为在使胞元实现负热膨胀时，三角形单元基本计算参数的示意图。图9～图10为在使胞元实现负热膨胀时，对三角形单元进行单位载荷法的示意图。图11～图13为本技术实施例1中第一组参数下的泊松比vxy,vxz,vzx、杨氏模量Ex,Ez及热膨胀系数ax,az的数值仿真验证结果NR和公式计算结果AR的对比图。图14～图16为本技术实施例1中第一组参数下的泊松比vxy,vxz,vzx、杨氏模量Ex,Ez及热膨胀系数ax,az的数值仿真验证结果NR和公式计算结果AR的对比图。图17和图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种泊松比和热膨胀系数可调的新型三维结构，其特征在于，所述三维结构由三维胞元构成，每个三维胞元由四个相同的平行四边形组成，每个平行四边形分为两个相同的三角形单元，每个三角形单元的最长杆和两条斜杆分别具有对应的杆长度且分别由三种材料构成，不同三角形单元几何参数和材料组合的三维结构具有不同的弹性参数和热膨胀系数；/n在三维结构中，三维胞元沿着其底面平行四边形的其中一条边所在方向作为左右方向周期排列，沿着与该左右方向相垂直的前后方向和上下方向反复镜像分布。/n

【技术特征摘要】
1.一种泊松比和热膨胀系数可调的新型三维结构，其特征在于，所述三维结构由三维胞元构成，每个三维胞元由四个相同的平行四边形组成，每个平行四边形分为两个相同的三角形单元，每个三角形单元的最长杆和两条斜杆分别具有对应的杆长度且分别由三种材料构成，不同三角形单元几何参数和材料组合的三维结构具有不同的弹性参数和热膨胀系数；
在三维结构中，三维胞元沿着其底面平行四边形的其中一条边所在方向作为左右方向周期排列，沿着与该左右方向相垂直的前后方向和上下方向反复镜像分布。


2.根据权利要求1所述的泊松比和热膨胀系数可调的新型三维结构，其特征在于，三维胞元在x轴方向和y轴方向上具有相同的弹性参数和热膨胀系数，弹性参数包括杨氏模量和泊松比，其中，x轴和y轴为以三维胞元的形心为原点，三维胞元底面的一个三角形单元的其中一条斜杆所在方向为z轴所构建的笛卡尔坐标系的两个坐标轴，y轴在水平面上与z轴相垂直，x轴在竖直面上与z轴相垂直。


3.根据权利要求2所述的泊松比和热膨胀系数可调的新型三维结构，其特征在于，对于在x轴方向的上下两个表面，y轴方向的前后两个表面以及位于z轴方向的斜杆的左右两个端点分别承载一定位移的胞元，其等效杨氏模量为：



其中，Ez为胞元在z方向上的等效杨氏模量；Ex为胞元在x方向上的等效杨氏模量；Ey为胞元在y方向上的等效杨氏模量；以作为z轴的斜杆作为第一斜杆，三角形单元另一条斜杆作为第二斜杆，N2是第二斜杆的轴力；N3是最长杆的轴力；是两条斜杆的夹角；θ是最长杆和第一斜杆的夹角；u是胞元底面的平行四边形沿着x轴正向移动的距离；L1是第一斜杆的长度；E1是第一斜杆的杨氏模量；A1是第一斜杆的横截面积的四倍。


4.根据权利要求2所述的泊松比和热膨胀系数可调的新型三维结构，其特征在于，对于在x方向的上下两个表面同时承载一定位移的胞元，其在x、y轴方向和在x、...

【专利技术属性】
技术研发人员：蓝林华，黄泽彬，富明慧，陈明明，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：新型
国别省市：广东;44