西南石油大學朱一林課題組：一種具有可調(diào)力學性能的新型單斜拉脹超結(jié)構(gòu)

更新時間：2022-11-01

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具有負泊松比效應(yīng)的拉脹結(jié)構(gòu)是一類功能和結(jié)構(gòu)一體化的力學超結(jié)構(gòu)貢獻力量。由于反常規(guī)的負泊松比效應(yīng)經過，拉脹超結(jié)構(gòu)具有諸多獨.特的力學性能和廣闊的工程應(yīng)用前景產能提升。相較于缺失支柱胞元結(jié)構(gòu)自動化裝置，手性拉脹結(jié)構(gòu)（Chiral auxetics）可以在大應(yīng)變下保持平滑的變形，并且對制造誤差相對不敏感宣講手段。缺失支柱胞元結(jié)構(gòu)（missing rib auxetics）是一類典型的手性拉脹結(jié)構(gòu)重要工具，可視為由傳統(tǒng)手性拉脹結(jié)構(gòu)的中心圓環(huán)替代為中心支架而成（圖1）。

圖1 傳統(tǒng)手性及缺失支柱拉脹結(jié)構(gòu)

相較于傳統(tǒng)手性拉脹結(jié)構(gòu)，缺失支柱拉脹結(jié)構(gòu)在大變形范圍內(nèi)具有更穩(wěn)定的負泊松比響應(yīng)，但由于中心支架缺乏有效支撐，其旋轉(zhuǎn)效應(yīng)無法得到充分發(fā)展從而拉脹性能較弱。為提高其結(jié)構(gòu)剛度并獲取可調(diào)范圍更廣的負泊松比實事求是，研究團隊基于已有缺失支柱型結(jié)構(gòu)發(fā)展了幾種增強型結(jié)構(gòu)，包括增強六手臂缺失支柱手性結(jié)構(gòu)（Enhanced Hexa-missing rib）、增強三手臂缺失支柱反手性結(jié)構(gòu)（Enhanced Anti-tri-missing rib）及增強四手臂缺失支柱反手性結(jié)構(gòu)（Enhanced Anti-tetra-missing rib）。四手臂缺失支柱手性結(jié)構(gòu)也是一種經(jīng)典的缺失支柱胞元結(jié)構(gòu)廣泛應用，并且由于對稱性的缺失表現(xiàn)出獨.特的單斜性質(zhì)（即：單軸拉伸/壓縮時結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生耦合拉伸/壓縮-剪切變形，如圖2所示）橫向協同。

圖2 傳統(tǒng)四手臂手性拉脹結(jié)構(gòu)（a）及四手臂缺失支柱手性拉脹結(jié)構(gòu)（b）在單軸拉伸荷載下的變形圖

單斜特性對拉脹超結(jié)構(gòu)力學性能的影響還鮮有報端哪些領域。近期，西南石油大學朱一林副研究員團隊發(fā)展了一種新型增強四手臂缺失支柱手性結(jié)構(gòu)（Enhanced Tetra-missing rib不斷創新，圖3）建立和完善。這種結(jié)構(gòu)的單胞由兩個”Z型”手臂及一個增強矩形框格組成，與團隊之前發(fā)展的增強四手臂缺失支柱反手性結(jié)構(gòu)（圖1b）具有相同的基本單元（圖3）規模。

圖3 四手臂增強缺失支柱手性（a）及反手性（b）單胞結(jié)構(gòu)

為了確定可調(diào)的力學性能并為實際應(yīng)用提供指導穩定發展，研究團隊基于卡氏定理推導了小變形下等效彈性常數(shù)的理論模型。由于單斜特性聯動，推導等效彈性模量增持能力、泊松比和剪切模量時需要分別施加固定端部拉伸（fix-end uniaxial tension）荷載及固定拉伸的剪切（fix-tension shear）荷載。

圖4 固定端部拉伸（a）及固定拉伸剪切（b）示意圖

通過調(diào)控結(jié)構(gòu)的幾何形狀行業內卷，即可獲取大范圍可調(diào)的力學性能（圖5）追求卓越。研究團隊開展了系統(tǒng)的有限元計算（施加了周期性邊界條件的單胞層面）。有限元計算結(jié)果與理論結(jié)果吻合度很高（圖6）參與能力，驗證了理論推導的正確性合理需求。

圖

5 等效泊松比（a），彈性模量（b）及剪切模量（c）云圖

圖6 理論及有限元分析等效彈性常數(shù)

增強四手臂缺失支柱手性和反手性拉脹結(jié)構(gòu)具有相同的基本單元充分發揮，因此高質量，研究團隊對比了相同幾何參數(shù)下兩種結(jié)構(gòu)的等效彈性模量和剪切模量（圖7）。結(jié)果表明選擇適用，單斜特性可顯著增強結(jié)構(gòu)的剛度管理，最高可達兩個數(shù)量級。該研究成果為如何在不犧牲拉脹性能的同時提高拉脹結(jié)構(gòu)的剛度提供了新的思路交流，具有重要的意義基礎。

圖7 增強四手臂缺失支柱手性及反手性胞元結(jié)構(gòu)等效彈性模量及剪切模量對比

此外，研究團隊進一步通過結(jié)構(gòu)層面的實驗和有限元計算驗證了理論公式的正確性還不大。實驗基體材料為HTL光敏樹脂（彈性模量和屈服應(yīng)力分別為0.6GPa和14MPa）高產，試樣利用微尺度3D打印機(nanoArch P150，摩方精密)制備發揮作用，最薄處截面尺寸為0.15mm×1.0mm良好。結(jié)構(gòu)層面的實驗和有限元分析變形圖吻合度很高（圖8），并且彈性常數(shù)的理論結(jié)果與單胞層面的有限元分析結(jié)果銘記囑托、結(jié)構(gòu)層面的有限元分析結(jié)果以及實驗結(jié)果均吻合的很好（圖9）引領，進一步驗證了理論公式的有效性。

圖8 實驗及有限元分析變形圖

圖9 理論示範、實驗及有限元分析等效彈性常數(shù)

該研究成果以“A novel monoclinic auxetic metamaterial with tunable mechanical properties”為題發(fā)表在國際期刊《International Journal of Mechanical Sciences》上應用前景。西南石油大學土木工程學院朱一林副研究員為第一及通訊作者有很大提升空間；歐洲科學院院士、德國錫根大學結(jié)構(gòu)力學系張傳增教授為論文共同通訊作者首次；課題組碩士研究生江松輝前景、張祺，中國工程物理研究院總體工程研究所李建助理研究員增幅最大，西南交通大學力學與工程學院于超教授為論文合作作者共享應用。該研究受到了國家自然科學基金、四川省科技廳國際合作項目標準、成都市科技局國際合作項目及國家留學基金的支持示範推廣。

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