[发明专利]一种设计三维负泊松比超材料的方法

说明书

本发明公开了一种设计三维负泊松比超材料的方法，其操作步骤为：首先，设计具有三维周期微结构的超材料几何模型；然后，利用有限元的方法对所设计的三维超材料几何模型进行屈曲分析，并对所得到的屈曲模态进行识别，将理想的具有横竖交替排列孔洞的三维超材料筛选出来；利用模态比例因子法改进微结构；将改进的三维微结构沿三个主轴方向复制排列，生成具有负泊松比效应的三维超材料模型。本发明方法被证明具有很强的适用性，对于基材料为线弹性和非线弹性材料都适用。

技术领域

本发明涉及一种基于有限元模态比例因子法生成三维负泊松比超材料的方法，提供了新的三维负泊松比超材料的设计方法，利用该方法能设计出具有较大拉胀效应同时能在大应变范围维持负泊松比效应，属于结构优化和超材料领域。

背景技术

超材料(metamaterials,“meta”在希腊语中的意思为“超越”)最初被定义为具有不寻常的电磁特性的新型人造材料，而这些特性在自然界中是不存在的。这些优越的特性为变换光学的研究领域创造了条件，超材料具有隐身、亚衍射成像和超级透镜等许多应用前景。最近，超材料的定义被进一步扩展。那些有效特性不仅来源于生成材料的整体行为，而且还来自其内部结构的材料也被称之为超材料。超材料在静态模量、密度、能量吸收、声学和声子性能、热传输性能、高应变率力学行为、智能材料和负泊松比功能材料等许多方面具有理想的特性。

作为被研究得最多的力学超材料之一，负泊松比超材料能表现出反常规的变形行为。具有负泊松比的材料，又被称作拉胀材料。在单轴压缩(拉伸)的情形下，常规材料在与施加的负载垂直的方向上膨胀(收缩)。与之相反，具有负泊松比的材料会收缩(膨胀)。这一特殊变形形态使得负泊松比材料具有了很多理想的特性，这些特性包括抗压痕性、抗剪切性、断裂韧性、曲率同向性、可变渗透性、声学和能量吸收性能等。上述这些优点使负泊松比材料在纺织品、航空航天、军事装备、汽车结构设计、工程器械、医疗器械、减震和防冲击装置、传感器和智能过滤器等领域有广泛的应用前景，并因此吸引了越来越多的人进行负泊松比材料的研究。

首个有负泊松比效应的泡沫材料在1987年被报道。在之后的三十多年里，负泊松比材料领域取得了不少成果。但是，大多数现有文献仍然还是基于二维的负泊松比材料研究。由于过去制造技术的落后，具有实际运用价值的三维负泊松比材料还很少被报道。3D打印技术，亦被称为增材制造技术，近些年正快速发展起来。此项技术也被认为是第三次工业革命的标志。利用这一新技术，Bückmann制备了少量三维负泊松比材料。但是这些三维负泊松比材料只能在压缩应变小于0.1的范围内表现出负泊松比变形形式。后来，Babaee通过提出一种以新颖的“屈曲球”设计作为最小构造单元的方法，成功的把有效应变扩大到了0.3。然而，他们制造的这些模型基材料是橡胶，使得其设计的三维负泊松比材料的力学性能非常弱而很难承载大的冲击力。相反，金属超材料力学性能一般都强于弹性体超材料。因而，以金属为基材料的负泊松比超材料在制造保护装置的应用领域有更好前景。因此，为了有机的结合负泊松比材料和金属基材料的优势，设计和研究具有更大负泊松比效应、并能在更大应变范围维持拉胀性能的三维金属负泊松比超材料，具有极其重要的科学意义。

发明内容

本发明针对目前负泊松比材料和结构形式单一的特点，提出了一种利用屈曲分析通过选取理想模态来设计负泊松比超材料的方法。相较于传统的内凹型的负泊松比超材料，该方法能够利用单一的模态比例因子来调和所设计的负泊松比超材料。通过此方法设计的超材料的负泊松比性能能用单一的模态比例因子控制。通过该方法能设计出具有更明显拉胀效应，同时能在大的应变范围内维持负泊松比性能。

本发明采用的技术方案为：一种设计三维负泊松比超材料的方法，其操作步骤为：

1)首先，设计具有三维周期微结构的超材料几何模型；

2)然后，利用有限元的方法对所设计的三维超材料几何模型进行屈曲分析，并对所得到的屈曲模态进行识别，将理想的具有横竖交替排列孔洞的三维超材料筛选出来；

3)利用模态比例因子法改进微结构；