一种变形模态可调的核心点阵结构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种变形模态可调的核心点阵结构设计方法，包括：构建由多个晶格元正交拼接形成的正交结构单元，该正交结构单元经阵列形成代表性结构单元，该代表性结构单元再经阵列形成阵列结构，以阵列结构中心为基准，从阵列结构中去除形状为正方体的核心部分结构，得到无核心的阵列结构，其中，晶格元为具有上底面和下底面的基础立体结构；对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形得到具有三维负泊松比特定的核心结构；将核心结构作为无核心的阵列结构的核心部分，与无核心的阵列结构进行拼接，形成核心点阵结构；通过调节核心结构与无核心的阵列结构的体积比，以及阵列结构的晶格元的上底面和下底面的尺寸比，实现核心点阵结构的变形模态调整。构的变形模态调整。构的变形模态调整。

【技术实现步骤摘要】
一种变形模态可调的核心点阵结构设计方法


[0001]本专利技术属于多孔晶格结构的设计与制造领域，尤其是涉及一种变形模态可调的核心点阵结构设计方法。

技术介绍

[0002]多孔结构在自然界中广泛存在，在工程实际中，得益于多孔结构比强度高、力学性质可调、散热能力好等特点，被广泛应用于航空航天、医疗植入以及防护装置的设计中。在多孔结构的设计及研究中，关于多孔结构的不同性质及控制方法，比如各向异性、负泊松比性质等，已经有了比较成熟的研究。多孔结构由于其可设计的参数较多，仍然有很多潜在的优势性质需要发掘与研究。
[0003]在现有的负泊松比结构设计方案中，专利文献CN201810026856.4公开了一种可调三维反手性负泊松比结构及制备方法，该方法通过结构上杆件与结构块的合理布置，实现了结构在压缩过程中的三维负泊松比效应。该方法设计出的负泊松比结构具有可靠性高、耐久性好的优势，并且其性能可调，但是由于特殊的结构形式，使得其结构强度较低。
[0004]专利文献CN201910188283.X公开了一种由二维到三维的负泊松比效应模型的设计方法，该设计方法将具有二维负泊松比效应的结构通过旋转求交的方式获得三维负泊松比效应的模型。但按变形原理可知，这种方法很难实现三维负泊松比效应。
[0005]关于结构的旋转效应，现有技术中暂无涉及软体旋转结构的设计方法。在传统机械设计中，为了改变驱动力的方向，一般通过设计转向节的方式实现转动到直动或者直动到转动。在实际的工程应用中，机械臂的转动以及摄像头的视角变化一般借助于电机实现转动功能。然而，电机部件以及转向节等传统结构部件在与人的交互方面及环境友好方面存在诸多劣势，难以适应医疗技术以及前沿机械设计中对于转动功能的新要求。

技术实现思路

[0006]鉴于上述，本专利技术的目的是提供一种变形模态可调的核心点阵结构设计方法，在提高结构稳定性的同时，通过调节不同参数可以引导结构以不同模态发生变形。
[0007]为实现上述专利技术目的，实施例提供了一种变形模态可调的核心点阵结构设计方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，构建由多个晶格元正交拼接形成的正交结构单元，该正交结构单元经阵列形成代表性结构单元，该代表性结构单元再经阵列形成阵列结构，以阵列结构中心为基准，从阵列结构中去除形状为正方体的核心部分结构，得到无核心的阵列结构，其中，晶格元为具有上底面和下底面的基础立体结构；
[0009]步骤2，对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形得到具有三维负泊松比特性的核心结构；
[0010]步骤3，将核心结构作为无核心的阵列结构的核心部分，与无核心的阵列结构进行拼接，形成核心点阵结构；
[0011]步骤4，通过调节核心结构与代表性结构单元的体积比，以及无核心的阵列结构的晶格元的上底面和下底面的尺寸比，实现核心点阵结构的变形模态调整。
[0012]在一个实施例中，六个晶格元沿着X,Y,Z,
‑
X,
‑
Y,
‑
Z六个方向正交拼接成的整体结构作为正交结构单元，通过对正交结构单元阵列并拼接形成阵列结构和代表性结构单元，其中，阵列结构的体积是代表性结构单元的2的整数倍。
[0013]在一个实施例中，所述对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形得到具有三维负泊松比特定的核心结构，包括：
[0014](a)，对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形分析，确定三维屈曲变形控制方程为：
[0015][0016]其中，L为晶格元的高度，s
l
和s
h
分别为代表性体积单元的三维屈曲变形模态中，处于与坐标轴平行的同一平面内相邻4个结构单元的内部控制点形成的四边形的两条对角线长度的一半，该四边形为菱形；依据所述三维屈曲变形控制方程，定义三维屈曲模态变形的旋转参数
[0017](b)，以代表性结构单元的中心为原点，依据三维屈曲变形控制方程确定代表性结构单元中一个正交结构所有端点的坐标，并对端点坐标进行缩放调整；
[0018](c)，依据调整后端点坐标和晶格元尺寸生成正交结构单元，并以平面X＝0，Y＝0，Z＝0对正交结构单元做镜像操作，得到核心结构。
[0019]在一个实施例中，步骤(b)中，依据三维屈曲变形控制方程和输入的旋转参数以及已知的L，求解得到s
l
和s
h
，并以代表性结构单元的中心为原点，确定代表性结构单元中一个正交结构所有端点的坐标分别为：中心端点其他外部端点D1(0,s
l
,s
h
)，D2(
‑
s
l
,s
h
,0)，D3(
‑
s
h
,0,s
l
),E2(
‑
(s
l
+
[0020]依据d(s
l
+s
h
)＝L计算缩放比例d，然后按照缩放比例d对所有端点进行缩放，缩放后坐标为：D1(0,ds
l
,ds
h
),D2(
‑
ds
l
,ds
h
,0)，D3(
‑
ds
h
,0,ds
l
)，)，
[0021]在一个实施例中，步骤1中，构建体积为阵列结构的1/2
n
的正方体，以阵列结构中心为基准，通过对阵列结构与正方体布尔运算求差集，从阵列结构中去除形状为正方体的核心部分结构，得到无核心的阵列结构；
[0022]步骤3中，通过对核心结构和无核心的阵列结构布尔运算求并集，将与无核心的阵
列结构进行拼接，形成核心点阵结构。
[0023]在一个实施例中，控制核心结构与代表性结构单元的体积比大于1.25，且无核心的阵列结构的晶格元的上底面和下底面的尺寸比为0.75
‑
1.5，核心点阵结构呈现旋转模态。
[0024]在一个实施例中，控制核心结构与代表性结构单元的体积比大于1.25，且无核心的阵列结构的晶格元的上底面和下底面的尺寸比小于等于0.5，核心点阵结构呈现负泊松比变形模态。
[0025]在一个实施例中，当所述核心点阵结构呈现旋转变形模态时，所述核心点阵结构用于制作转向装置。
[0026]在一个实施例中，当所述核心点阵结构呈现负泊松比变形模态时，所述核心点阵结构用于制作医疗植入器械、防护装置。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果至少包括：
[0028]实施例提供的变形模态可调的核心点阵结构设计方法，通过设计具有三维负泊松比特定的核心结构作为核心点阵结构的核心单元在提高结构稳定性的同时，通过调整调节核心结构与代表性结构单元的体积比，以及无核心的阵列结构的晶格元的上底面和下底面的尺寸比，以稳定引导核心点阵结构以不同模态发生变形，实现不同变形特点与结构功能的核心点阵结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变形模态可调的核心点阵结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构建由多个晶格元正交拼接形成的正交结构单元，该正交结构单元经阵列形成代表性结构单元，该代表性结构单元再经阵列形成阵列结构，以阵列结构中心为基准，从阵列结构中去除形状为正方体的核心部分结构，得到无核心的阵列结构，其中，晶格元为具有上底面和下底面的基础立体结构；步骤2，对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形得到具有三维负泊松比特性的核心结构；步骤3，将核心结构作为无核心的阵列结构的核心部分，与无核心的阵列结构进行拼接，形成核心点阵结构；步骤4，通过调节核心结构与代表性结构单元的体积比，以及无核心的阵列结构的晶格元的上底面和下底面的尺寸比，实现核心点阵结构的变形模态调整。2.根据权利要求1所述的变形模态可调的核心点阵结构设计方法，其特征在于，六个晶格元沿着X,Y,Z,
‑
X,
‑
Y,
‑
Z六个方向正交拼接成的整体结构作为正交结构单元，通过对正交结构单元阵列并拼接形成代表性结构单元，其中，阵列结构的体积是代表性结构单元的2的整数倍。3.根据权利要求2所述的变形模态可调的核心点阵结构设计方法，其特征在于，步骤2中，所述对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形得到具有三维负泊松比特定的核心结构，包括：(a)，对代表性结构单元进行三维屈曲模态变形分析，确定三维屈曲变形控制方程为：其中，L为晶格元的高度，s
l
和s
h
分别为代表性体积单元的三维屈曲变形模态中，处于与坐标轴平行的同一平面内相邻4个结构单元的内部控制点形成的四边形的两条对角线长度的一半，该四边形为菱形；依据所述三维屈曲变形控制方程，定义三维屈曲模态变形的旋转参数(b)，以代表性结构单元的中心为原点，依据三维屈曲变形控制方程确定代表性结构单元中一个正交结构所有端点的坐标，并对端点坐标进行缩放调整；(c)，依据调整后端点坐标和晶格元尺寸生成正交结构单元，并以平面X＝0，Y＝0，Z＝0对正交结构单元做镜像操作，得到核心结构。4.根据权利要求3所述的变形模态可调的核心点阵结构设计方法，其特征在于，步骤(b)中，依据三维屈曲变形控制方程(b)中，依据三维屈曲变形控制方程和输入的旋转参数以及已知的L，求解得到s
l
和s
h
，并以代表性结...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘博，冯嘉炜，林志伟，贺永，傅建中，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：