一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构

1.本发明为一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构，可有效调节力学性能，属于力学超材料领域。


背景技术：

2.力学超材料是以微结构为基本构造单元的人工材料，具有自然材料所不具备的可设计性，从而能够实现超越自然材料的物理性质。力学超材料特异的性质已引起广泛研究，通过合理的微结构设计可以实现多种特异的物理性质。许多力学超材料在外载荷撤去后无法维持变形后的构型，一定程度上限制了其在一些领域中的应用。
3.近年来，单稳态力学超材料在受载荷过程中通常展现出大应变、负/零泊松比、负刚度等现象。其最大的特点是当外界施加载荷时，结构能从稳态跳跃到亚稳态，卸载后结构会自动反弹回初始构型稳态。但并不具有可逆的力学性能，在很多领域具有限制。而可逆力学性能的多稳态力学超材料作为潜在的功能材料，在各个领域得到了广泛的研究。多稳态超材料在工程和科学领域有着巨大的应用前景。相较于同样可变构型的单稳态力学超材料，多稳态力学超材料能在载荷移除后保持稳定的几何构型，为其在能量吸收、弹性波传播调控、隔振等应用方面拓宽了前景。基于超薄结构跳跃屈曲特性构筑的多稳态力学超材料被提出，有望解决这一问题。
4.作为新型变刚度力学超材料，多稳态力学超材料在载荷作用下刚度展现正负交替变化，有着两个或多个稳定的几何构型，并且这些构型能够相互切换，在隔振、降噪抗冲击、吸能等领域中具有广阔的应用前景。目前，基于超薄结构屈曲行为构筑的变刚度超材料在制造成型后大多性能不可再调控，丰富的多稳态力学超材料都展现了独特的设计理念和优异的力学性能，由于在各种工程领域的广泛潜在应用，具有显著机械性能的多稳态超材料近年来引起了学术界和工业界越来越多的兴趣。然而，现有多稳态超材料的功能一旦制造就很难调整，只有少部分研究聚焦于超材料成型后性能的可调控性。基于此，一些研究逐渐向性能可调控性的多稳态力学超材料倾斜。为了改善这一情况，本发明设计了一种力学性能可调控的结构模块化多稳态超材料结构，三稳态单胞结构由可拆卸杆和包含两个双稳态弯曲梁的固定框架构成。通过将不同长度的杆插入框架中，可以改变弯曲梁的形状，从而调控性能，通过灵活装配方法将性能可调性能的三稳态单胞组装成多稳态超材料结构。


技术实现要素：

5.多稳态超材料的功能一旦制造就很难调整，本发明的目的在于提出一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构，将不同长度的中间杆插入框架中，改变弯曲梁的形状来调整单胞的力学行为，进而调控模块化多稳态超材料结构的力学性能，可在许多领域实现可重复使用的抗冲击和隔振。
6.一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构，包括单胞的固定框架、刚性中间杆、水平长连接杆、竖直短连接杆；其中，单胞的固定框架、刚性中间杆、水平长连接杆、
竖直短连接杆若干，根据需要组装成具有任意数量行和列的结构模块化多稳态超材料结构。将一个竖直短连接杆插入到单胞框架一侧的凹槽中，再将这个插入的竖直杆插入到下一个单胞固定框架的一侧凹槽，此时完成两个单胞的水平连接，按上述连接步骤重复，形成一排单胞的结构；将一个水平长连接杆插入到这一排单胞框架t形梁的凹槽中，再将这一排单胞插入的水平杆插入到下一排单胞的t形梁凹槽中，此时完成两排单胞的竖向连接，按上述连接步骤重复，形成一个平板结构，便组装成具有任意数量行和列的结构模块化多稳态超材料结构。
7.单胞由包含两个双稳态弯曲梁的具有中间凹槽的固定框架和一个刚性中间杆组成，单胞的安装及连接关系如下：将不同长度的刚性中间杆插入到包含两个双稳态弯曲梁的固定框架的中间凹槽中，两个双稳态弯曲梁的高度同步且相等地变化，以此改变弯曲梁的形状，对单胞的力学性能进行调控。单胞固定框架，两侧带有t形梁凹槽，中间为可嵌入刚性连接杆的凹槽，为双t形梁，上下两端的双曲梁为半正弦形状，固定框架的最上下方为与半正弦形的双曲梁相连接的t 形梁，带有凹槽以便长连接杆的插入。刚性连接杆为两侧双t形杆，将刚性杆嵌入到单胞固定框架的中间凹槽，完成单胞的组装。
8.模块化多稳态超材料结构可调力学性能为力-位移响应和弹性波带隙，通过改变行、列单胞连接的数量，实现不同环境要求下力学性能的调控。力-位移响应的调控如下：对单胞施加竖直方向力荷载后，结构将呈三个稳定状态，分别为初始的闭合状态、一根曲梁发生跳跃屈曲的半开状态、以及两根曲梁均发生跳跃屈曲的全开状态。单胞的力-位移响应取决于上下弯曲梁的高度和跨度，设计具有不同长度的中间杆，将其嵌入到外框架中，便能够改变上下弯曲梁的高度和跨度，从而调控单胞的力-位移响应。将单胞拼接为模块化多稳态超材料结构，多个弯曲梁串联时，力-位移响应会周期性重复，从而调控多稳态超材料结构的力
‑ꢀ
位移响应。
9.弹性波带隙的调控如下：设计具有不同长度的中间杆，将其嵌入到外框架中，便能够改变上下弯曲梁的高度和跨度，从而调控单胞的带隙。处于带隙频率范围内的弹性波，无论从哪个方向都不能在多稳态超材料结构周期结构中传播。
10.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
11.1、本发明所设计的单胞通过插入不同长度的中间杆，可以调整所设计单胞的多稳态行为。
12.2、本发明所设计的模块化多稳态超材料结构可通过更换含不同长度中间杆的单胞，串联不同数量的单胞，调控模块化多稳态超材料结构的力学性能。
13.3、本发明所采用的机械结构简单，制造容易且成本低，安装简便，易于推广。
附图说明
14.图1是本发明一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构的立体结构示意图；
15.图2是本发明一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构中单胞的固定框架结构示意图；
16.图3是本发明一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构刚性中间杆结构示意图；
17.图4是本发明一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构中水平长连接杆示意图；
18.图5是本发明一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构中竖直短连接杆示意图；
19.图6微结构有限元模型图。
20.图7微结构有限元变形过程图。
21.图8微结构理论及有限元力位移曲线图。
22.图中，1为单胞的固定框架，2为刚性中间杆，3为水平长连接杆，4为竖直短连接杆。
具体实施方式
23.为了充分理解本发明的有益效果，下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详细地描述，该实施仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
24.本实施例叙述了一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构。
25.图1展示了一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构的立体结构。
26.图1中展示出的一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构包括单胞的固定框架1、刚性中间杆2、水平长连接杆3、竖直短连接杆4。
27.从图1中可以看出，单胞由一个固定框架1和一个刚性连接杆2组成，固定框架1中间为可嵌入刚性连接杆的凹槽，将刚性杆2嵌入到单胞固定框架1的中间凹槽完成单胞的组装。将一个竖直短连接杆4插入到单胞框架1一侧的凹槽中，再将此单胞插入的竖直杆4插入到下一个单胞的一侧凹槽，此时完成两个单胞的水平连接，按上述连接步骤重复，形成一排单胞的结构；将一个水平长连接杆3 插入到这一排单胞框架t形梁1的凹槽中，再将这一排单胞插入的水平杆3插入到下一排单胞的t形梁凹槽中，此时完成两排单胞的竖向连接，按上述连接步骤重复，形成一个平板结构如图1，便组装成具有任意数量行和列的结构模块化多稳态超材料结构。
28.图2是本发明一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构中单胞的固定框架结构示意图；
29.图3是本发明一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构中间杆结构示意图；
30.图4是本发明一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构中水平长连接杆示意图；
31.图5是本发明一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构中竖直短连接杆示意图；
32.一种模块化多稳态超材料结构的可调力学性能表现在力位移关系和弹性波带隙，对单胞施加竖直方向力荷载后，结构将呈三个稳定状态，分别为初始的闭合状态、一根曲梁发生跳跃屈曲的半开状态、以及两根曲梁均发生跳跃屈曲的全开状态。单胞的力-位移响应取决于上下弯曲梁的高度和跨度，设计具有不同长度的中间杆2，将其嵌入到外框架1中，便能够改变上下弯曲梁的高度和跨度，从而调控单胞的力-位移响应。将单胞拼接为模块化多稳态超材料结构，多个弯曲梁串联时，力-位移响应会周期性重复，从而调控多稳态超材料结构的力-位移响应。设计具有不同长度的中间杆2，将其嵌入到外框架1中，便能够改变上
下弯曲梁的高度和跨度，从而调控单胞的带隙。处于带隙频率范围内的弹性波，无论从哪个方向都不能在多稳态超材料结构周期结构中传播，通过改变行、列单胞连接的数量，实现不同环境要求下力学性能的调控。
33.实施例
34.在solidworks中分别建立外框架和横杆(δl＝0)几何实体(.xt格式)，导入到abaqus中，形成微结构，并对微结构进行拉伸模拟，得到微结构的力
‑ꢀ
位移曲线。
35.首先，在abaqus中对导入的框架和横杆进行几何切分，并使用c3d8r 类型的网格对各部分分别进行网格划分。为了模拟上下曲梁在实际中可能存在的差异，采用不同网格尺寸分别对上下曲梁进行划分，有限元模型如图6所示。
36.其次，为模型添加材料属性。在材料属性模块中，外框架赋予tpu (thermoplastic polyurethanes)材料参数，本构模型选为超弹性“neo-hooke”模型，材料近乎不可压缩，给定材料参数c
10
＝30.29,d1＝0.0025。为保障曲梁跳跃过程中的双稳态特性，微结构的两侧框架须提供理想的两端固定约束，这就要求两侧框架保持竖直状态。两侧框架主要由嵌入的横杆提供约束，所以要保证横杆有足够的刚度。鉴于此，选择横杆杨氏模量远大于框架杨氏模量的材料。将横杆赋予尼龙材料参数，本构模型为线弹性模型，给定其杨氏模量和泊松比分别为1gpa 和0.3。为横杆的一部分设置正交各项异性热膨胀属性(α
11
＝0.1,α
22
＝α
33
＝0)，通过降低温度模拟横杆的轴向缩短。
37.再次，为模型添加约束。将外框架与横杆接触设置为“tie”约束粘接，选用“coupling”约束将上部加持端耦合到一个参考点上并创建集，以便后续对微结构加载模拟以及力-位移曲线的提取。
38.模拟微结构力-位移曲线及其调控的主要的步骤为：
39.i)创建两个“static，general”分析步，打开几何非线性“nlgeom”开关。在初始分析步中，横杆中间矩形部分设置预定义温度场，初始温度设为0。
40.ii)第一分析步改变预定义场温度实现横杆长度缩小，考虑缩减量δl为0mm、 2mm、4mm三种长度的横杆，对应的温度改变量为0、-0.52、-1.02，此时只有微结构底部施加完全固定约束；
41.iii)第二步对微结构顶部参考点施加竖向位移载荷，并新建“场输出”，输出参考点上的反力及位移数据，此时需要在微结构两侧添加辊支承约束，仅保留竖直方向的平动自由度。
42.iv)导出数据，绘图。
43.在有限元模拟中，微结构的变形过程如图7所示，图中给出了横杆缩减量δl 为0mm、2mm、4mm三种情况下的变形应力云图。分析微结构变形过程发现，对于δl为2mm、4mm两种情况，微结构横杆缩短引起整体缩小，微结构展现负泊松比特性。三种尺寸的初始稳态下，一开始两个曲梁均处于正刚度段，受载荷拉伸时，由于两梁微小差异某一曲梁受力先达到负刚度阈值fcr而屈曲。在这一曲梁首先屈曲后，由于负刚度的存在，位移增加而力减小，另一曲梁开始卸载，随即达到新的平衡。随着继续加载，另一曲梁也相继屈曲，跳跃到另一稳态。
44.微结构理论和有限元模拟的力-位移曲线结果如图8所示，二者结果吻合良好。图中的每条力-位移曲线均有两个完整的波形，代表有两层曲梁；且每条曲线的波峰(波谷)对
应力的数值相同，代表各曲梁相同。图中所示每条力-位移曲线与直线f＝0有5个交点，即微结构有5个平衡点，但负刚度阶段的2个平衡点不稳定，所以微结构实现了3个稳定的平衡状态。由此可得知，当多个的双稳态曲梁串联时，其力-位移曲线会周期性重复，这为设计可实现大变形的多稳态超材料提供了可能性。
45.对比δl取不同值的力-位移曲线，发现三稳态微结构的稳定平衡点数目不变，但结构出现负刚度的阈值fcr和结构第三个稳态对应的微结构总位移d均发生改变。同曲梁展现的特性一致，δl越大，即横杆长度越短，负刚度阈值fcr越大，总位移d也相应增大。这一过程通过减小横杆长度，实现了对微结构力-位移曲线进行调控。实际中可根据应用环境需求，选择相应长度的横杆。
46.基于曲梁的双稳态特性，本实施例包含外框架和横杆两部分的三稳态微结构。通过减小横杆的长度，改变外框架上下两根曲梁的q值，实现对三稳态微结构力学性能的调控。借助双稳态曲梁的力-位移曲线计算方法，通过理论计算三稳态微结构力-位移曲线；在abaqus中，通过遇冷收缩，对横杆的缩短量进行模拟，并对缩短后的模型进行拉伸仿真，得到三稳态微结构力-位移曲线，对该微结构的设计进行了验证。
47.综上所述，本发明一种力学性能可调控的结构模块化多稳态超材料结构，三稳态单胞结构由刚性中间杆和包含两个双稳态弯曲梁的固定框架构成。通过将不同长度的杆插入框架中，可以改变弯曲梁的形状，从而调控性能，通过灵活装配方法将性能可调性能的三稳态单胞组装成多稳态超材料结构。
48.尽管以上结合附图对本发明的一个具体实施方式进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，任何在本发明的思路和原则之内所作的任何改变、修改、替换和变型等，均属于本发明的权利要求保护范畴。