[发明专利]大拉伸量下具有可调节拉胀特性的剪纸超材料及其设计方法

说明书

一种大拉伸量下具有可调节拉胀特性的剪纸超材料及其设计方法，剪纸超材料由多个有序排布的方形单胞构成，多个单胞在剪纸超材料内周期性、梯度性或非规则性排布，对应的剪纸超材料分别具有均匀拉胀特性、梯度拉胀特性和指定非均匀拉胀特性。其设计方法为：首先，采用结构优化方法，充分考虑面外变形约束，得到单胞构型的启发式设计。其次，对上述步骤得到的优化结果进行几何重构与参数建模，并获得不同几何参数下的拉胀特性。最后，根据特定的排布顺序对多种单胞构型进行排布，构造剪纸超材料。本发明通过修改剪口参数，能给实现多种随拉伸量大小可调节的拉胀特性变化趋势；与已有的剪纸超材料相比，本发明在结构设计、使用范围和应用前景具有明显优势。

技术领域

本发明属于超材料领域，涉及一种在大拉伸量下具有可调节拉胀特性的剪纸超材料及其结构体设计方法。

背景技术

剪纸超材料是在薄片结构上，通过剪口的有序(周期、梯度、非规则)排布，获得特定等效力学性能的一类力学超材料，具有易制造性、大延展性、减少材料浪费和快速的载荷响应等优点。

拉胀剪纸超材料在受到纵向拉伸载荷作用下产生横向膨胀变形，这种拉胀特性可表示为横向变形平均值与纵向伸长量比值的负值。目前，已有的拉胀剪纸超材料是基于人工经验或者采用反复试错方法设计获得，包含的剪口排布具有镜像对称、手性对称或反手性对称形式。

上述的拉胀剪纸超材料在伸长量超过样件尺寸一定比例(通常小于10％)时，发生不稳定的面外屈曲变形，导致无法保持指定的拉胀特性。这一方面是由于薄片结构具有很小的面外刚度，另一方面是由于预置剪口以及剪口布局降低了局部区域的面外刚度。同时，已有的拉胀剪纸超材料在大拉伸量下，还易产生高应变(或高应力)，导致基体材料失效甚至破坏，对超材料的可靠性、变形可恢复性和等效性能造成负面影响。这两方面的性能缺陷限制了剪纸超材料的实际应用。

因此，提供一种拉胀剪纸超材料，实现随拉伸量可调节的满足特定变化规律的拉胀特性，同时具有变形可恢复性，是剪纸超材料领域亟待解决的技术问题，对剪纸超材料的推广应用具有重要意义。

发明内容

针对上述技术不足，本发明提供了一种拉胀剪纸超材料，及用于实现在大拉伸量下，具有可调节拉胀特性的剪纸超材料的设计方法。该剪纸超材料在受到拉伸载荷产生大拉伸量下，能够实现可调节的拉胀特性，并且获得良好的变形可恢复性，同时兼具制备工艺简单、适用于多种基体材料的优点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种大拉伸量下具有可调节拉胀特性的剪纸超材料，所述剪纸超材料1由多个有序排布的方形单胞2构成，所述有序排布指：多个方形单胞2在剪纸超材料1内周期性、梯度性或非规则性排布，对应的剪纸超材料1分别具有均匀拉胀特性、梯度拉胀特性和指定非均匀拉胀特性。

所述的一个方形单胞2边长L、厚度t，由一个1/4方形域3和由该1/4方形域分别沿着单胞内部的x轴/y轴6镜像得到的另外三个1/4方形域组成。所述的一个1/4方形域3中预置两条形状相同的剪口5，两条剪口5之间满足沿该1/4方形域中心旋转对称。在一个完整的方形单胞2中，所有剪口5的布局满足沿单胞中心点反手性对称。

所述的一个1/4方形域3中的所有剪口5均具有均匀宽度w，其中一条剪口5的一个剪口尖端4位于所述1/4方形域的一个顶点11，另一个剪口尖端4呈圆弧状，其半径为w/2，位于所述1/4方形域内部。所述的一条剪口5为细长的三段折线型，从1/4方形域一个顶点11起，由直线型的剪口首段7、剪口中段8和剪口末段9三部分组成，并由以下剪口参数描述：剪口首段7、中段8和末段9的中心线10的长度分别为L₁、L₂和L₃；所述剪口首段7与所述1/4方形域3底部边界夹角为θ₁，剪口中段8与y轴平行，剪口中段8与剪口末段9的相对夹角为θ₂，且θ₂始终位于所述剪口的中段8靠近单胞边界的一侧。