基于Miura-ori具有渐变刚度的机械超材料

摘要

机械超材料是一种人造的新型材料，其材料性能主要由其内部结构决定。基于折纸的机械超材料因其所呈现的多胞特性，比如负泊松比、可编程刚度，近来吸引了物理学家和工程师的密切关注。到目前为止，大多数折纸超材料是由完全相同的折纸单元堆叠而成，因此其机械性能与单个单元类似并在整体上保持统一，这也意味着该种材料很难适应复杂不规则的外界环境。受自然界功能梯度材料的启发，本文提出三种基于三浦折纸（Miura-ori）的机械超材料，分别称之为面内渐变Miura-ori、面外渐变Miura-ori，面内外结合的渐变Miura-ori，三种结构都可通过几何参数的改变实现渐变刚度的目的。 针对三种渐变Miura-ori，首先通过运动学分析，分别建立结构实现的几何条件；通过分析其折叠过程，我们发现它们存在自锁点。自锁点将折叠过程分为刚性折叠与非刚性折叠两个阶段，且其位置完全由几何参数决定。为了探索渐变结构的机械性能，我们用黄铜制作了 Miura-ori、面内渐变 Miura-ori 和面外渐变Miura-ori的物理模型，并完成沿特定方向的准静态压缩实验，证实了渐变结构具有渐变刚度的特性。同时，根据实验建立相应的仿真模型，且得到了与实验匹配的结果，进一步验证了结构的刚度特性。最后，利用仿真通过一系列的参数化分析，探索该结构参数对材料性能的影响。结果显示，模型材料与 Miura-ori 基础角度对超材料渐变刚度与能量吸收性能有着较大的影响。 本文通过实验与仿真，证明三种渐变Miura机械超材料可以在特定方向上实现渐变刚度，而且其刚度特性可通过几何参数调节控制。同时，相对于Miura-ori，该结构具有更好的能量吸收能力，能够更好的应用在一些特定的复杂环境。不仅如此，本文中所提出的方法可以普遍适用于大多数折纸图案创造新结构与机械超材料。

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