技术领域
[0001] 本发明涉及多级多孔材料/结构、超材料/超结构技术领域，尤其涉及一种具有负泊松比效应的结构。
相关背景技术
[0002] 多孔材料是一种由形成孔洞的棱边和壁面的固体杆或固体板构成的网络结构。该材料普遍存在于自然界中，人工制造的多孔材料也种类繁多，小到由聚合物泡沫材料构成的冲击垫，大到由蜂窝三明治结构做成的火箭隔热层等。多孔材料具有超轻、高比刚度、高比强度、吸能耐冲击、隔音隔热等特性，在国防、民用领域有广阔的应用前景。
[0003] 多级多孔材料其胞壁区别于传统多孔材料的显著特点是它们的胞壁也具有多孔特征。多级多孔材料在自然界中广泛存在，并被制备成仿生人工材料来增强结构的机械性能。且具有进一步提高结构力学性能的潜质。由于多级多孔材料的宏细观多尺度特性以及材料的不均匀性，多级多孔材料的比强度比传统多孔材料显著提高，其他机械特性如粘附力、摩擦力，或者能量带隙也可以加以改善。
[0004] 自然界中的材料泊松比大多为正值，表现为在水平(或竖直)方向拉伸载荷作用下，结构沿竖直(或水平)方向收缩的现象。而负泊松比材料/结构则表现出与之相反的特点，即轴向拉伸‑横向膨胀，轴向压缩‑横向收缩的特性。负泊松比材料/结构在抗剪切性、抗断裂性、能量吸收性能等方面具有很大优势，具有负泊松比效应的超材料/超结构通常表现出轻量化、高阻尼、吸声吸能、减振隔热等物理特性。
[0005] 负泊松比材料/结构广泛应用于航空航天、生物医疗、机械电子等领域，对可展开天线、变体机翼、传感器元器件、人造血管支架、医用药物绷带、可穿戴设备以及软体机器人等结构的发展具有重大意义。
[0006] 根据变形机理的不同，负泊松比结构可分为内凹、手性、旋转刚体和箭头等二维或三维蜂窝结构，结构胞壁均为实心连续体，阻碍了结构具备更高的轻量化、比强度、吸能效率、剪切韧性和断裂韧性等能力。因此，本发明提出一种具有多级多孔特性的星型负泊松比结构以解决和改善现有技术中存在的问题。
具体实施方式
[0023] 为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
[0024] 实施例1
[0025] 根据图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供了一种新型多级多孔星型负泊松比结构，包括星型单胞和星型子胞。所述星型子胞为轴对称结构，由八条斜杆组成。为方便所述星型子胞结构的连接，并增加结构的强度，所述星型子胞尖端设置为正方形。所述星型单胞由N个所述星型子胞组合而成，是周期性单元。所述星型子胞沿水平和竖直方向并联或沿所述星型子胞的中心线相连，组成沿i方向的星型单胞(i＝x,y)。所述星型单胞与所述星型子胞为父子关系，所述星型单胞沿水平和竖直方向阵列，构成多级多孔星型负泊松比结构。
[0026] 所述星型单胞和星型子胞的制作材料为3D打印的形状记忆合金、热塑性聚氨酯(TPU)超弹性材料的一种。
[0027] 所述星型子胞的斜杆分别与水平方向和竖直方向呈θ夹角，斜杆的厚度为t，所述星型子胞沿X方向和Y方向的边长分别为L。所述星型子胞尖端设置为边长为t/(2 sinθ)的正方形。所述星型单胞由N个所述星型子胞组合而成，所述星型单胞的长度为Li＝Ni×L(i＝x,y)。所述星型子胞之间的连接处长度为 所述星型子胞需满足0°<θ<45°以及0
[0028] 在ABAQUS软件前处理模块中，首先对结构设置材料参数，划分结构有限元网格，设置分析步、设置边界条件和载荷条件，设置接触属性，从而对结构进行面内拉伸模拟计算。
[0029] 采用有限元ABAQUS仿真软件进行面内拉伸实验，验证多级多孔星型结构在水平和竖直方向的负泊松比效应。
[0030] 采用有限元ABAQUS仿真软件进行面内拉伸实验，得到多级多孔星型结构的弹性模量和泊松比随不同几何尺寸参数的变化曲线。
[0031] 实施例2
[0032] 在ABAQUS仿真软件中设置材料参数，包括弹性模量E＝70GPa，材料泊松比μ＝0.34。超弹性材料选用Mooney‑Rivlin本构模型，得到模型系数分别为：
[0033] 根据图5和图6所示，本实施例提供了一种新型多级多孔星型负泊松比结构沿X方向和Y方向的变形云图，可以直观的看出结构在水平(或竖直)方向的载荷作用下，竖直(或水平)方向表现出明显的拉涨效应。通过计算上下(或左右)位移，可计算出结构的泊松比。通过计算约束力及其施加位移，可计算得到结构的弹性模量。比较可知，所设计的多级多孔负泊松比结构性能好于传统实心负泊松比结构。
[0034] 实施例3
[0035] 根据图7所示，本实施例对多级多孔星型结构进行参数化研究，提供了在水平方向载荷作用下，多级多孔星型结构的比刚度和泊松比随子胞微观尺寸参数L和θ的变化曲线。
[0036] 根据图8所示，本实施例对多级多孔星型结构进行参数化研究，提供了在竖直方向载荷作用下，多级多孔星型结构的弹性模量和泊松比随单胞宏观尺寸参数Nx和Ny的变化曲线。
[0037] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
