[发明专利]一种仿三维屈曲模态变形的负泊松比结构设计方法

说明书

本发明公开一种仿三维屈曲模态变形的三维负泊松比结构的设计方法，包括：(1)建立由多个晶格元正交拼接形成的结构单元，结构单元阵列并拼接形成代表性体积单元，并确定代表性体积单元的控制点及其原坐标；(2)经分析得到代表性体积单元的三维屈曲变形模态以及控制点的变形坐标；(3)依据控制点的原坐标和变形坐标拟合确定三维屈曲变形控制方程；(4)输入三维屈曲模态变形的旋转参数、晶格元参数、阵列数，依据三维屈曲变形控制方程和旋转参数确定代表性体积单元的控制点坐标；(5)依据代表性体积单元的控制点坐标和晶格元参数生成代表性体积单元，并按照阵列数阵列得到三维负泊松比结构，该三维负泊松比结构具有强结构强度。

技术领域

本发明属于多孔晶格结构的设计与制造领域，尤其是涉及一种仿三维屈曲模态变形的三维负泊松比结构的设计方法。

背景技术

随着增材制造的发展，具有复杂结构特征的多孔结构可以被打印或者制造出来。负泊松比结构是一种拥有特殊性质的超材料，一般的材料在纵向拉伸时，其横向收缩；而负泊松比结构在被纵向拉伸时，会发生横向扩张。归功于其特殊的压缩变形特点，使得负泊松比结构广泛应用于医疗植入、高灵敏度传感器设计和防护装置等。

自然界中存在很少的负泊松比结构，一般是由人为设计的，经过设计的负泊松比结构大部分为多孔晶格结构，已经报道的负泊松比结构中，大部分为二维负泊松比结构，也有一部分三维负泊松比结构。

申请号为CN201911308237.5的专利文献公开了一种具有三维特性的负泊松比结构的组合方法，将任意两个二维负泊松比结构基本单元重叠，要求四个环节点和五根肋均重合放置；将其中一个二维负泊松比结构基本单元相对于另外一个二维负泊松比结构基本单元直线旋转90°，形成正交的三维基本单元，也就是将两个二维手性负泊松比结构正交放置，然后在在三维基本单元的基础上通过空间拓展进一步重复排列形成三维负泊松比结构体。

申请号为CN201810026856.4的专利文献公开了一种可调三维反手性负泊松比结构及其制备方法，通过长方体杆与立方体块的有效组合，可利用二维负泊松比结构设计出三维负泊松比结构。

以上两个专利文献的负泊松比结构设计方法存在一些可以改进的地方：结构需要借助于商业建模软件，设计过程较为繁琐；负泊松比结构在压缩过程中表现出较低的抗压强度。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的在于提供一种仿三维屈曲模态变形的三维负泊松比结构设计方法。该设计方法可以稳定地在不同参数条件下实现三维负泊松比结构的设计，同时设计的三维负泊松比具有较好的结构强度。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种仿三维屈曲模态变形的三维负泊松比结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤1，建立由多个晶格元正交拼接形成的结构单元，结构单元阵列并拼接形成代表性体积单元，并确定代表性体积单元的控制点及其原坐标；

步骤2，对代表性体积单元进行三维屈曲模态变形分析，得到三维屈曲变形模态以及控制点的变形坐标；

步骤3，依据控制点的原坐标和变形坐标拟合确定代表性体积单元的三维屈曲变形控制方程；

步骤4，输入三维屈曲模态变形的旋转参数、晶格元参数以及阵列数，依据三维屈曲变形控制方程和输入的旋转参数确定待设计三维负泊松比结构的代表性体积单元的控制点坐标；

步骤5，依据代表性体积单元的控制点坐标和晶格元参数生成代表性体积单元，按照阵列数对生成的代表性体积单元进行阵列，得到三维负泊松比结构。

优选地，所述晶格元包括圆柱、圆台、棱柱、棱台、六面体等；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结构单元，通过对结构单元阵列并拼接形成代表性体积单元。