[发明专利]具有预定负泊松比特性的手性超材料结构的设计方法

说明书

本发明涉及一种新型手性负泊松比超材料及其设计方法，以根据特定的负泊松比要求，自动快速地进行力学超材料的结构设计，摆脱了传统经验设计思路，提高了工作效率，节省设计时间；优化构型可以在大变形下保持预定的负泊松比，更能满足某些结构可能发生大变形的应用场景；通过进一步的三次样条曲线形状优化设计，使得优化构型具有更好的CAD可重构性，可以直接通过3D打印制造实物，具有更广阔的工程实际应用前景。

技术领域

本发明属于力学超材料结构设计领域，具体涉及一种通过拓扑优化和形状优化进行新型负泊松比超材料的结构设计方法。

背景技术

力学超材料是一种具有特殊力学性质的人工微结构，其力学性质主要取决于“人工原子或分子”的几何结构，而不是其材料组分。典型的力学超材料通常与四个弹性常数有关，分别是泊松比、杨氏模量、剪切模量和体模量。根据所调控弹性常数的不同，力学超材料可以分类为负泊松比胀形材料，剪切模量消隐五模式反胀材料、负压缩性材料、负热膨胀材料、模式转换可调刚度材料等。负泊松比材料就属于典型的胀形力学超材料，这一类材料在纵向拉伸时会发生横向膨胀。相比于一般的材料，胀形材料力学性能得到了增强，包括剪切模量、断裂韧性、热冲击强度、压痕阻力等，其特殊的力学属性使得胀形材料在航空、航天、电子等工程领域有非常广阔的应用前景。

负泊松比力学超材料的传统设计思路是以内凹多边形结构、旋转刚体结构、手性结构等一系列胀形材料结构模型为基础，并且只能通过经验和直觉对这一系列胀形材料结构的几何参数进行调节设计出具有特定负泊松比的力学超材料,并且设计出来的结构负泊松比只能满足结构在较小应变变形范围内保持稳定。该结构设计方法效率较低，工作量较大，具有盲目性，达不到结构在大变形下满足稳定负泊松比的要求，且设计结果重构困难，限制了力学超材料在实际工程中的应用。

中国专利CN109033486A《一种二维周期性负泊松比可控拉胀材料》通过孔使得普通材料具有负泊松比效应，负泊松比值可以通过设置不同的几何参数调整，但通过调整几何参数获得具有需要的负泊松比值的拉胀材料的方法是具有盲目性的，需要花费大量时间去调整几何参数。并且，该专利是在较小线应变范围内计算拉胀材料的等效泊松比，不能应用于有较大应变范围需求的工程中。

发明内容

本发明解决的技术问题是为了克服现有负泊松比力学超材料设计方法效率低下、CAD可重构性差及在大变形下不能满足稳定负泊松比的不足之处，本发明提供了一种新型手性超材料及其设计方法。该方法首先通过移动渐近线法(MMA)对力学超材料单胞进行基于密度法的拓扑优化设计，使其可以在特定的应变范围内保持预定的负等效泊松比。在特定性能力学超材料拓扑构型的基础上，通过三次样条插值的方法进行力学超材料的构造和设计，考虑结构的大变形状态，通过商用有限元分析软件ANSYS和遗传算法相结合的方法，对特定构型的力学超材料进行形状优化设计，使其可以在特定大应变范围内保持预定的负泊松比。

本发明的技术方案是：一种具有预定负泊松比特性的手性超材料结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对周期性微结构几何非线性进行有限元分析，计算周期性微结构在单向拉伸条件下的等效泊松比，包括以下子步骤：

步骤1.1：对单胞施加周期性位移边界条件，定义四个边界分别为上边界、下边界、左边界和右边界，同时定义周期性微结构的单胞为单位尺寸；