一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料

摘要

本发明公开了一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料，通过单胞元点阵结构空间延拓布置形成。单胞元是由反弯曲线杆件构成的负泊松比结构，定义直角坐标系，单胞元位于X‑Y平面上。通过单胞元结构在X与Y方向上的延拓布置，形成一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料。在该延拓布置过程中，组成单胞元的反弯曲线杆件在大小与形状上不断发生变异，使点阵材料具有了梯度功能，本发明的梯度负泊松比特性点阵材料的物性参数如弹性模量、泊松比、密度等随空间位置呈梯度变化。这种具有梯度负泊松比特性的点阵材料结构自重轻，可设计性强，具有独特的力学性能，如剪切模量高，抗断裂性能强，缓冲效果好，并且结构取材方便，制作方法简易，应用前景十分可观。

说明书

技术领域

本发明属于工程结构领域，尤其涉及一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料。

背景技术

自然界中所有的材料都具有正泊松比，而人工制造的负泊松比材料具有独特的力学性能，在纵向拉伸时，横向发生膨胀，受压时横向发生收缩，随着工程技术的迅猛发展，负泊松比材料都到越来越多工程师的关注与重视，点阵材料具有高孔隙率，可以通过对点阵结构的单胞构型设计使点阵结构具有高比强度、高比刚度、高抗弯强度的优点，使得在相同结构承载力作用下可节省大量的材料，大大减轻了结构自重。梯度负泊松比特性点阵材料的物性参数如弹性模量、泊松比、密度等随空间位置呈梯度变化。这种具有梯度负泊松比特性的点阵材料结构自重轻，可设计性强，具有独特的力学性能，如剪切模量高，抗断裂性能强，缓冲效果好，并且结构取材方便，制作方法简易，应用前景十分可观。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料，它的物性参数如弹性模量、泊松比和密度等随空间位置呈梯度变化。

技术方案：本发明的一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料，单胞元是由反弯曲线杆件构成的负泊松比结构，定义直角坐标系，单胞元位于X-Y平面上；通过单胞元结构在X与Y方向上的延拓布置，形成一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料；在该延拓布置过程中，组成单胞元的反弯曲线杆件在大小与形状上不断发生变异，使点阵材料具有了梯度功能。

其中：

所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料由金属、纤维增强复合材料或其它非金属材料构成。

所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料，其梯度负泊松比特性是通过改变单胞元反弯曲线杆件的大小或线形而形成的，或者两者同时发生改变。

所述单胞元反弯曲线杆件的曲线形状有正弦曲线、余弦曲线、圆曲线或其他曲率连续变化的曲线。

所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料，其弹性模量、泊松比和密度随空间位置呈梯度变化。

所述具有梯度负泊松比特性的点阵材料，能将二维的梯度负泊松比点阵材料弯曲成圆筒状结构及其他闭合曲面筒状结构。

有益效果：实现了负泊松比点阵材料具备梯度功能，获得了具有梯度负泊松比点阵材料，这种具有梯度负泊松比特性的点阵材料结构自重轻，可设计性强，具有独特的力学性能，如剪切模量高，抗断裂性能强，缓冲效果好，并且结构取材方便，制作方法简易，应用前景十分可观。

附图说明

图1为本发明的为双向恒定梯度负泊松比点阵材料的示意图；

图2为本发明的负泊松比点阵材料单胞元的示意图；

图3为本发明的单向恒定梯度负泊松比点阵材料的示意图；

图4为本发明的单向变化梯度负泊松比点阵材料的示意图；

图5为本发明的双向变化梯度负泊松比点阵材料的示意图。

图中：1、2、3、4、5、6、7、8、9分别表示为负泊松比点阵材料第一至第九单胞元。

L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆、L₇、L₈、L₉、L₁₀、L₁₁、L₁₂分别表示单胞元在坐标轴方向上的投影长度。

a₁、a₂为负泊松比点阵材料的X方向反弯曲线杆，b₁、b₂为负泊松比点阵材料的Y方向反弯曲线杆。

具体实施方式

本发明的形成方法如下：

1)由单胞元通过空间延拓布置形成，单胞元是由反弯曲线杆件构成的负泊松比结构。

2)定义直角坐标系，单胞元位于X-Y平面上。通过单胞元结构在X与Y方向上的延拓布置，形成一种具有梯度负泊松比特性的点阵材料。在该延拓布置过程中，组成单胞元的反弯曲线杆件在大小与形状上不断发生变异，使点阵材料具有了梯度功能。

本发明中的梯度负泊松比点阵材料由金属、纤维增强复合材料及其它非金属材料构成。

本发明中的梯度负泊松比点阵材料单胞元是由反弯曲线杆件构成的负泊松比结构，在纵向拉伸时，横向发生膨胀，受压时横向发生收缩。

本发明中的梯度负泊松比点阵材料相邻的两个单胞元反弯曲线杆件的大小或线形是不相同的，或者两者均不相同。

本发明中的梯度负泊松比点阵材料单胞元反弯曲线杆件的曲线形状有正弦曲线，余弦曲线，圆曲线及其他曲率连续变化的曲线等。

本发明中的梯度负泊松比点阵材料的梯度功能是通过改变单胞元反弯曲线杆件的大小或线形，或者同时改变大小和线形来实现的。

本发明中的梯度负泊松比点阵材料宏观上的物性参数，如弹性模量、泊松比和密度等随空间位置呈梯度变化。

本发明同样适用于将二维的梯度负泊松比点阵材料弯曲成圆筒状结构及其他闭合曲面筒状结构。

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

1)如图1所示，本实施例为双向恒定梯度负泊松比点阵材料，负泊松比点阵材料在X和Y方向上均具有梯度功能，负泊松比点阵材料第一单胞元1，单胞元示意图如图2，其中a₁、a₂为负泊松比点阵材料的X方向反弯曲线杆，其中b₁、b₂为负泊松比点阵材料的Y方向反弯曲线杆，a₁、a₂、b₁、b₂均为圆曲线杆，L₁、L₂为第一单胞元1X方向反弯曲线杆a₁、a₂在X方向上的投影长度，L₅、L₆为第一单胞元1Y方向反弯曲线杆b₁、b₂在Y方向上的投影长度。

2)将负泊松比点阵材料第一单胞元1沿X、Y方向进行延拓布置，形成第二单胞元2、第三单胞元3、第四单胞元4，在进行X方向延拓过程中，单胞元X方向反弯曲线杆在X方向上的投影长度逐步增大，即L₁<L₃，L₂<L₄，在进行Y方向延拓过程中，单胞元Y方向反弯曲线杆在Y方向上的投影长度逐步增大，即L₅<L₇，L₆<L₈，以此类推形成双向恒定梯度负泊松比点阵材料。

实施例2：

1)如图3所示，本实施例为单向恒定梯度负泊松比点阵材料，负泊松比点阵材料在单一方向上具有梯度功能，负泊松比点阵材料第一单胞元1，单胞元示意图如图2，其中a₁、a₂为负泊松比点阵材料的X方向反弯曲线杆，其中b₁、b₂为负泊松比点阵材料的Y方向反弯曲线杆，a₁、a₂、b₁、b₂均为圆曲线杆，L₁、L₂为第一单胞元1X方向反弯曲线杆a₁、a₂在X方向上的投影长度，L₅、L₆为第一单胞元1Y方向反弯曲线杆b₁、b₂在Y方向上的投影长度。

2)将负泊松比点阵材料第一单胞元1沿X、Y方向进行延拓布置，形成第二单胞元2、第三单胞元3、第四单胞元4，在进行X方向延拓过程中，单胞元X方向反弯曲线杆在X方向上的投影长度逐步增大，即L₁<L₃，L₂<L₄，在进行Y方向延拓过程中，单胞元Y方向反弯曲线杆在Y方向上的投影长度保持不变，即L₅＝L₇，L₆＝L₈，以此类推形成单向恒定梯度负泊松比点阵材料。

实施例3：

1)如图4所示，本实施例为单向变化梯度负泊松比点阵材料，负泊松比点阵材料在单一方向上的梯度变化具有双向性，即材料的负泊松比变化表现为：沿单一方向先逐渐增加后逐渐减小，负泊松比点阵材料第一单胞元1，单胞元示意图如图2，其中a₁、a₂为负泊松比点阵材料的X方向反弯曲线杆，其中b₁、b₂为负泊松比点阵材料的Y方向反弯曲线杆，a₁、a₂、b₁、b₂均为圆曲线杆，L₁、L₂为第一单胞元1X方向反弯曲线杆a₁、a₂在X方向上的投影长度，L₇、L₈为第一单胞元1Y方向反弯曲线杆b₁、b₂在Y方向上的投影长度。

2)将负泊松比点阵材料第一单胞元1沿X、Y方向进行延拓布置，形成第二单胞元2、第三单胞元3、第四单胞元4、第五单胞元5、第六单胞元6，在进行X方向延拓过程中，单胞元X方向反弯曲线杆在X方向上的投影长度先增大后减小，即L₁<L₃，L₂<L₄，L₃>L₅，L₄>L₆，在进行Y方向延拓过程中，单胞元Y方向反弯曲线杆在Y方向上的投影长度保持不变，即L₇＝L₉，L₈＝L₁₀，以此类推形成单向变化梯度负泊松比点阵材料。

实施例4：

1)如图5所示，本实施例为双向变化梯度负泊松比点阵材料，负泊松比点阵材料在X方向和Y方向上的梯度变化均具有双向性，即材料的负泊松比变化表现为：沿X方向和Y方向均先逐渐增加后逐渐减小，负泊松比点阵材料第一单胞元1，单胞元示意图如图2，其中a₁、a₂为负泊松比点阵材料的X方向反弯曲线杆，其中b₁、b₂为负泊松比点阵材料的Y方向反弯曲线杆，a₁、a₂、b₁、b₂均为圆曲线杆，L₁、L₂为第一单胞元1X方向反弯曲线杆a₁、a₂在X方向上的投影长度，L₇、L₈为第一单胞元1Y方向反弯曲线杆b₁、b₂在Y方向上的投影长度。

2)将负泊松比点阵材料第一单胞元1沿X、Y方向进行延拓布置，形成第二单胞元2、第三单胞元3、第四单胞元4、第五单胞元5、第六单胞元6、第七单胞元7、第八单胞元8、第九单胞元9，在进行X方向延拓过程中，单胞元X方向反弯曲线杆在X方向上的投影长度先增大后减小，即L₁<L₃，L₂<L₄，L₃>L₅，L₄>L₆，在进行Y方向延拓过程中，单胞元Y方向反弯曲线杆在Y方向上的投影长度先增大后减小，即L₇<L₉，L₈<L₁₀，L₉>L₁₁，L₁₀>L₁₂，以此类推形成双向变化梯度负泊松比点阵材料。