一种开孔结构可调的超材料及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种开孔结构可调的超材料及其设计方法，包括基材，在基材面内开设有多排和多列通孔，其特征在于：每排和每列通孔的个数均相同；每排相邻两个的通孔的孔心距和每列相邻两个的通孔的孔心距均相等；基材两侧相邻两排位于同一列上的两个通孔的面积均不同，相邻两层的孔隙率呈梯度分布，以调节基材的开孔结构。能够在相同孔隙率下，通过相邻两层的孔隙率呈梯度分布的方式实现开孔结构的调节，从而获得不同的临界荷载，以实现对基材临界荷载的调节，同时对负泊松比调节更容易，能更好的满足实际需求。满足实际需求。满足实际需求。

【技术实现步骤摘要】
一种开孔结构可调的超材料及其设计方法


[0001]本专利技术涉及超材料结构设计领域，尤其涉及一种开孔结构可调的超材料及其设计方法。

技术介绍

[0002]负泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向应变与轴向应变的负比值，也叫横向变形系数，反映了材料横向变形的弹性常数。具有负泊松比的材料，在受到横向拉伸时，会沿着纵向发生膨胀变形，因而能够诱导出许多异于自然材料属性的反常力学特性，例如优异的抗剪切性、抗断裂韧性、压阻性、曲面同向性以及良好的缓冲吸能性能等。
[0003]由于在自然界中绝大部分材料都是正泊松比材料，只有有限数量的负泊松比超材料可供使用。目前，负泊松比材料大多通过人工构造多胞结构的方法设计而成，即负泊松比超材料。负泊松比超材料是一种具有违反直觉力学性质的人造结构，其特殊的性能不是取决于材料本身的属性，而是源于对其单元结构进行创新设计。负泊松比超材料因其声学、光学、热传导、吸能耗能等方面具有杰出的优势，其发展受到世界各国的关注，在航空航天、生物医疗、能源动力、交通运输等方面发挥着至关重要的作用。
[0004]负泊松比超材料按变形机理可以分为内凹结构、旋转刚体结构、手性/反手性结构、纤维/节点结构、折纸结构、褶皱结构、屈服
‑
诱导结构以及其他结构。
[0005]由于均匀周期开孔结构构型比较规则，理论研究相对简单且制造相对方便，故目前常见的多孔负泊松比超材料的开孔方式大多为均匀周期开孔，这种均匀周期开孔每排和每列通孔的半径和孔心距均相同，此类结构在相同孔隙率下(孔隙率，指基材上所有通孔的面积之和与基材总面积的比值)，开孔结构是唯一的，设计空间有限，对应的临界荷载也是唯一的，难以根据不同应用场景以通用且高效的策略实现对临界荷载的调节，另外，对负泊松比调节需要较大的名义应变，因而无法更好的满足应用需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种开孔结构可调的超材料及其设计方法，能够在相同孔隙率下，通过相邻两层的孔隙率呈梯度分布的方式实现开孔结构的调节，增大了设计空间，从而获得不同的临界荷载，以实现对基材临界荷载的调节，同时对负泊松比调节更容易，能更好的满足实际需求。
[0007]本专利技术涉及一种开孔结构可调的超材料，包括基材，在基材面内开设有多排和多列通孔，其特征在于：每排和每列通孔的个数均相同；每排相邻两个的通孔的孔心距和每列相邻两个的通孔的孔心距均相等；第一排和最后一排中间均为1/2个通孔，第一排和最后一排两侧均为1/4个通孔，中间每排两侧均为1/2个通孔；
[0008]同一层每个通孔的形状和面积均相同，相邻两层通孔的面积均不同，相邻两层的孔隙率呈梯度分布，以调节基材的开孔结构；这种梯度分布包括单向梯度分布、双向梯度分布、角点放射梯度分布、中心放射梯度分布、等差梯度分布、等比梯度分布。
[0009]作为优选方案，所述相邻两层的孔隙率呈单向梯度分布，即基材两侧相邻两层通孔的面积依次变化，每层通孔的个数与每排或每列通孔的个数相等，且每层所有通孔的中心连线呈“一”字型。每层通孔结构单向梯度变化，方便设计。
[0010]作为优选方案，所述相邻两层的孔隙率呈双向梯度分布，即基材两侧相邻两层通孔的面积依次变化，基材一侧和另一侧距基材中心相等的两层每个通孔的面积均相等，每层通孔的个数与每排或每列通孔的个数相等，且每层所有通孔的中心连线呈“一”字型。每层通孔结构双向梯度变化，对负泊松比调节更容易。
[0011]作为优选方案，所述相邻两层的孔隙率呈角点放射梯度分布，即通孔沿基材的边角向四周呈放射梯度分布，每层通孔的个数均不同，每层所有通孔的中心连线呈“L”型。
[0012]作为优选方案，所述相邻两层的孔隙率呈中心放射梯度分布，即通孔沿基材正中心向四周呈放射梯度分布，每层通孔的个数均不同，每层所有通孔的中心连线呈“口”型。
[0013]作为优选方案，所述相邻两层的孔隙率呈等差梯度分布，即基材两侧相邻两层孔隙率的差值为定值。每层通孔结构分布具有等差规律，便于通孔大小的计算，方便设计。
[0014]作为优选方案，所述相邻两层的孔隙率呈等比梯度分布，即基材两侧相邻两层孔隙率的比值为定值。每层通孔结构分布具有等比规律，便于通孔大小的计算，方便设计，而且相对于等差梯度，等比梯度对负泊松比调节更明显。
[0015]作为优选方案，所述基材面内开设的通孔为9排9列，每层通孔的个数均为8个，每个通孔的形状均为圆形，相邻两层的孔隙率呈单向等差梯度分布、单向等比梯度分布、双向等差梯度分布或双向等比梯度分布。
[0016]作为优选方案，所述基材面内开设的通孔为9排9列，每层通孔的个数均为8个，每个通孔的形状均为外接圆半径相等的正多边形，且基材两侧相邻两层的正多边形的边数依次变化，相邻两层的孔隙率呈单向梯度分布或双向梯度分布。
[0017]本专利技术还涉及一种开孔结构可调的超材料的设计方法，所述方法包括以下步骤，
[0018]P1.选一块n+1排n+1列的基材，每排和每列通孔个数均为n，每排和每列通孔的孔心距均为D，基材孔隙率为第i层所有通孔面积之和为s
i
则推导出第i层孔隙率
[0019]P2.当相邻两层的孔隙率呈单向等差梯度分布时，公差为d，则推出即得出
[0020]P3.当相邻两层的孔隙率呈双向等差梯度分布时，公差为d；
[0021]当n为奇数时，推出
[0022]当n为偶数时，推出
[0023]以上两种情况分别得出
[0024]P4.当相邻两层的孔隙率呈单向等比梯度分布时，公比为q，则推出即得出
[0025]P5.当相邻两层的孔隙率呈双向等比梯度分布时，公比为q；
[0026]当n为奇数时，可推出
[0027]当n为偶数时，可推出
[0028]以上两种情况分别得出
[0029]P6.当相邻两层的孔隙率呈角点放射等差梯度分布时，公差为d，则
[0030]即且即得出
[0031]P7.当相邻两层的孔隙率呈角点放射等比梯度分布时，公比为q，则
[0032][0033]则有且即得出
[0034]P8.当相邻两层的孔隙率呈中心放射等差梯度分布时，公差为d，则当n为奇数时，
[0035]即
[0036]当n为偶数时，
[0037]即另外，根据分别推导出以上两种情况的
[0038]P9.当相邻两层的孔隙率呈中心放射等比梯度分布时，公比为q，则当n为奇数时，
[0039][0040]则有
[0041]当n为偶数时，
[0042][0043]则有
[0044]另外，根据分别推导出以上两种情况的
[0045]P10.根据P1
‑
P9任一个步骤，当每个通孔均为圆形、椭圆形或同一种正多边形时，根据圆形、椭圆形或正多边形的面积公式，分别得出圆的半径、椭圆长半轴或短半轴、正多边形边长，即得出每层通孔的大小；
[0046]P11.根据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种开孔结构可调的超材料，包括基材(1)，在基材(1)面内开设有多排和多列通孔(2)，其特征在于：每排和每列通孔(2)的个数均相同；每排相邻两个的通孔(2)的孔心距(D)和每列相邻两个的通孔(2)的孔心距(D)均相等；第一排和最后一排中间均为1/2个通孔(2)，第一排和最后一排两侧均为1/4个通孔(2)，中间每排两侧均为1/2个通孔(2)；同一层每个通孔(2)的形状和面积均相同，相邻两层通孔(2)的面积均不同，且相邻两层的孔隙率呈梯度分布，以调节基材(1)的开孔结构；这种梯度分布包括单向梯度分布、双向梯度分布、角点放射梯度分布、中心放射梯度分布、等差梯度分布、等比梯度分布。2.根据权利要求1所述的开孔结构可调的超材料，其特征在于：所述相邻两层的孔隙率呈单向梯度分布，即基材(1)两侧相邻两层通孔(2)的面积依次变化，每层通孔(2)的个数与每排或每列通孔(2)的个数相等，且每层所有通孔(2)的中心连线呈“一”字型。3.根据权利要求1所述的开孔结构可调的超材料，其特征在于：所述相邻两层的孔隙率呈双向梯度分布，即基材(1)两侧相邻两层通孔(2)的面积依次变化，基材(1)一侧和另一侧距基材(1)中心相等的两层每个通孔(2)的面积均相等，每层通孔(2)的个数与每排或每列通孔(2)的个数相等，且每层所有通孔(2)的中心连线呈“一”字型。4.根据权利要求1所述的开孔结构可调的超材料，其特征在于：所述相邻两层的孔隙率呈角点放射梯度分布，即通孔(2)沿基材(1)的边角向四周呈放射梯度分布，每层通孔(2)的个数均不同，每层所有通孔(2)的中心连线呈“L”型。5.根据权利要求1所述的开孔结构可调的超材料，其特征在于：所述相邻两层的孔隙率呈中心放射梯度分布，即通孔(2)沿基材(1)正中心向四周呈放射梯度分布，每层通孔(2)的个数均不同，每层所有通孔(2)的中心连线呈“口”字型。6.根据权利要求1所述的开孔结构可调的超材料，其特征在于：所述相邻两层的孔隙率呈等差梯度分布，即基材(1)两侧相邻两层孔隙率的差值为定值。7.根据权利要求1所述的开孔结构可调的超材料，其特征在于：所述相邻两层的孔隙率呈等比梯度分布，即基材(1)两侧相邻两层孔隙率的比值为定值。8.根据权利要求2或3所述的开孔结构可调的超材料，其特征在于：所述基材(1)面内开设...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冬明，王菲，郭浩宇，杨依茹，钱怡成，孔令好，杜松林，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：