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材料工程 2021年第5期49卷 38-47页

作者：高玉魁同济大学材料科学与工程学院上海201804 上海市金属功能材料开发应用重点实验室上海201804

负泊松比超材料和结构具有优异的抗剪切性能、抗冲击性能、抗断裂性能、吸能隔振、渗透率可变性能、曲面同向性等力学性能,在航空航天、航海、机械自动化、生物医疗、国防军事、纺织工业等领域具有广泛的应用前景。本文从负泊松比超材... 详细信息

负泊松比超材料和结构具有优异的抗剪切性能、抗冲击性能、抗断裂性能、吸能隔振、渗透率可变性能、曲面同向性等力学性能,在航空航天、航海、机械自动化、生物医疗、国防军事、纺织工业等领域具有广泛的应用前景。本文从负泊松比超材料和结构的变形机理出发,综述了内凹结构、旋转刚体结构、手性/反手性结构、纤维/节点结构、折纸结构、褶皱结构、弯曲-诱导结构、螺旋纱线结构等物理模型,这些模型具有广泛的适用性,可运用于轻质夹层板、流体输送、纱线等工程应用,有利于改善结构的使用性能。最后,本文对负泊松比超材料和结构未来的挑战和在航空航天、军事等领域的应用进行了展望,指出利用负泊松比逆转了正泊松比对单轴应力引起的体积和面积变化的补偿效应可有效改善发动机叶片、深空天线以及汽车吸能盒等关键构件的抗冲击性能等,以期为负泊松比超材料和结构的推广应用提供参考。

关键词：负泊松比超材料负泊松比力学性能变形机理应用

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基于复杂约束拓扑优化的负泊松比超材料设计

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北京理工大学学报 2023年第8期43卷 852-862页

作者：孟军辉刘清洋金泽华北京理工大学宇航学院北京100081 北京理工大学重庆创新中心重庆401135

针对现阶段超材料拓扑优化设计在飞行器设计领域存在的微观尺度上难以制造和宏观尺度上不具有周期性的问题,提出了一种宏观尺度下的超材料拓扑优化设计方法,分别应用优化准则法和移动渐近线法进行了指定泊松比约束的超材料拓扑优化设计... 详细信息

针对现阶段超材料拓扑优化设计在飞行器设计领域存在的微观尺度上难以制造和宏观尺度上不具有周期性的问题,提出了一种宏观尺度下的超材料拓扑优化设计方法,分别应用优化准则法和移动渐近线法进行了指定泊松比约束的超材料拓扑优化设计,得到了在横向、纵向两个方向上的泊松比都满足约束的负泊松比超材料,并对两种优化算法的设计结果进行了对比分析.针对拓扑优化得到的胞元构型,建立了理论模型和有限元模型,对拓扑优化结果的力学性能进行验证.经理论模型和有限元模型计算,拓扑优化设计结果的泊松比满足设计要求,证明了宏观尺度拓扑优化方法设计负泊松比超材料的有效性.

关键词：负泊松比超材料结构优化宏观尺度拓扑优化法优化准则法移动渐近线法

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基于等几何分析的高导热负泊松比超材料结构拓扑优化研究

基于等几何分析的高导热负泊松比超材料结构拓扑优化研究

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作者：徐程湘潭大学

学位级别：硕士

宏观结构的性能往往是由其微结构的构型和性能决定的，因此，从微观层面进行构型设计对提升宏观结构性能具有重要的意义。随着高科技产业对结构的要求不断增加,具有各种特殊性能的超材料结构已在工程中得到应用。同时，多相材料的组合... 详细信息

宏观结构的性能往往是由其微结构的构型和性能决定的，因此，从微观层面进行构型设计对提升宏观结构性能具有重要的意义。随着高科技产业对结构的要求不断增加,具有各种特殊性能的超材料结构已在工程中得到应用。同时，多相材料的组合特性可以充分发挥不同材料的性能优势，近年来发展十分迅速。多材料拓扑优化方法可以在给定的约束条件下得到满足各种设计指标的最佳多材料分布，得到符合轻量化要求的结构,也为概念设计开拓了一条重要途径。本文基于等几何分析方法，对具有高导热性能和各向异性的负泊松比超材料结构进行了拓扑优化设计，主要研究内容如下:　　（1）基于能量均匀化理论预测了材料的等效弹性矩阵来评估宏观结构的等效属性并对微结构施加周期性边界条件，再结合多材料交替活跃相算法，以一种有效弹性张量的松弛组合形式作为目标函数，建立了基于等几何分析的各向异性多材料负泊松比超材料微结构拓扑优化模型。详细探讨了材料种类数、弹性模量、体积分数、微结构初始设计域形状和各向异性参数对多材料微结构构型及其“拉胀”特性的影响。结果表明，合适的材料种类数为3,各材料弹性模量和体积分数的差值要保持在合适的范围，泊松比因子的建议取值为1～1.5。　　（2）基于能量均匀化理论预测了材料的等效热传导系数矩阵，结合多材料交替活跃相算法，以等效热传导系数矩阵主分量之和为目标函数，建立了基于等几何分析的各向异性多材料热传导微结构拓扑优化模型。讨论了材料种类数、热传导系数、体积分数、初始设计域形状、各向异性参数和加权系数组合模型对微结构最优拓扑构型、传热方向和热性能的影响。结果表明，合适的材料种类数为3,各材料热传导系数和体积分数的差值要保持在合适的范围，材料方向角推荐取值30°～45°。　　（3）采用加权系数法，加权组合负泊松比超材料设计和热传导微结构设计的目标函数，并基于等几何分析方法和多材料交替活跃相算法，建立了正交各向异性微结构的多目标拓扑优化模型，设计了同时具有“拉胀”特性和高导热性能的耦合超材料微结构。讨论了权系数、材料种类数、体积分数和各向异性参数对上述耦合微结构构型和性能的影响。结果表明，合适的材料种类数和权系数取值分别为3和0.5,泊松比因子、热导率因子和材料方向角的建议取值分别为1～1.5、1.25～1.5和15°～30°。　　本文基于等几何分析研究了各向异性复合材料的负泊松比超材料微结构、热传导微结构以及具有高导热性能的负泊松比耦合微结构的拓扑优化设计，得到的各向异性超材料微结构能满足高精技术行业“功能特殊化”、“结构轻量化”和“性能集成化”的要求，具有较好的理论研究和工程应用价值。

关键词：负泊松比超材料拓扑优化导热性能各向异性等几何分析

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一种可编程可调控的负泊松比超材料结构设计

一种可编程可调控的负泊松比超材料结构设计

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作者：崔宇红大连理工大学

学位级别：硕士

新材料的研发和制造对现代工业的发展进步具有极为重要的意义,我国在十四五规划和2035年远景目标中都明确提出要聚焦、发展新一代新材料展产业。超材料作为新材料技术领域的一个重要分支,以其远超天然材料的优异性能及其可设计、可调控... 详细信息

新材料的研发和制造对现代工业的发展进步具有极为重要的意义,我国在十四五规划和2035年远景目标中都明确提出要聚焦、发展新一代新材料展产业。超材料作为新材料技术领域的一个重要分支,以其远超天然材料的优异性能及其可设计、可调控的特性,拥有着重要的研究价值和广泛的应用前景。本文对超材料诸多学科领域中的力学超材料进行了研究,提出了一种新颖的可编程、可调控的负泊松比超材料结构。其设计思路将优化算法与人为调整结合到一起,即首先通过将渐进均匀化方法与拓扑优化方法结合,获得泊松比接近-1的负泊松比初始结构,并提取其几何特征的关键参数信息;再通过引入人为设计,利用Python语言,在ABAQUS平台依次完成了参数化建模、GUI界面的开发以及针对多种单元类型的热应力均匀化方法的计算脚本的编写工作。不仅实现了仅需输入少量参数就可以快速建立自定义单胞的功能,而且可以在指定泊松比下反推出单胞结构,从而实现对单胞泊松比的精确控制,真正实现了该负泊松比超材料结构的可编程及对其性能的可调控。最后,本文利用该负泊松超材料设计了一系列有实际应用价值的结构,包括双曲率结构、三维方管、圆管结构、三维正交各项异性结构和一种拉压异性泊松比的结构,该结构通过接触非线性和几何非线性使得整体结构突破了单一步骤变形的传统模式,实现负泊松比单胞多步骤变形及泊松比的二次、正负变化,可以用于多级缓震、吸能结构或机械逻辑运算门等结构。

关键词：负泊松比超材料渐进均匀化方法拓扑优化 ABAQUS二次开发多步骤变形

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面向负泊松比超材料性能的公差设计方法

面向负泊松比超材料性能的公差设计方法

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作者：唐畅大连理工大学

学位级别：硕士

超材料是一种以人为设计构型作为功能单元排布成的新兴材料,可以实现自然界现有材料没有的新特性,广泛应用于航天、汽车、光学等领域。超材料的形式多种多样,但其主要结构特点很容易得出是特定单胞周期排列而成。负泊松比超材料作为超... 详细信息

超材料是一种以人为设计构型作为功能单元排布成的新兴材料,可以实现自然界现有材料没有的新特性,广泛应用于航天、汽车、光学等领域。超材料的形式多种多样,但其主要结构特点很容易得出是特定单胞周期排列而成。负泊松比超材料作为超材料的一种,具有良好的力学性能,且有能量吸收、隔热等特性。面对多种需求,我们可以通过拓扑优化等手段设计超材料构型,但是超材料在加工时所需的公差约束面对的不是传统用于保证互换性及可装配性需求,而是超材料的结构尺寸在公差范围内时可保证所需性能符合设计需求。为此,以负泊松比功能结构面向性能精确性的精度设计为例研究超材料的精度设计过程。面向周期性负泊松比功能结构性能精确制造的需求,本文从获取结构宏观性能与允差之间的响应关系入手,提出两种面向性能精确性的尺寸公差设计方法,并对形位误差对结构性能的影响加以研究。主要工作包括以下几方面:首先,在绪论中对超材料与负泊松比结构的研究现状进行回顾,总结了目前精度设计的发展历程,从中引出本课题所要解决的问题,阐述其研究意义。其次,分别采用通过单胞轴向力学压缩模型推导性能与尺寸参数关系、构建仿真模型建立性能与公差设计函数两种方法,获取结构宏观目标性能与尺寸允差之间的响应关系。通过实例证明了两种方法的有效性,其中推导力学模型方法简单,但与仿真模型验证会存在偏差,需要添加修正系数。而构建仿真模型方法需要参数化建立可迭代计算的包含性能允差的周期性负泊松比结构仿真模型,需要较大计算量。接下来,提出利用序列二次规划法（SQP）与代理模型进行面向负泊松比结构性能精确性的尺寸公差设计方法。序列二次规划法中需要明确合适的目标函数与约束条件进行公差设计,代理模型法需要明确模型类型与取样方法构建代理模型指导公差数值分配。通过实例验证两种方法均可在保证性能合格的前提下实现面向性能的精度设计。最后研究了形位公差对性能精确性的影响程度,通过合理设定周期性结构形位误差表现形式,参数化建立包含直线度误差与胞元中心位置度误差的周期性星型负泊松比结构仿真模型。研究不同等级的形位误差对负泊松比结构等效弹性模量性能的影响规律:当形位公差数值越大时星型结构弹性模量均值越低;包含形位误差的仿真结果整体均值比原始值低;同等级的形位误差对性能的影响比尺寸误差要低。利用蒙特卡洛方法对本文中的公差设计结果进行验证,仿真实验表明本文所有公差设计结果均合格。

关键词：负泊松比超材料周期性结构功能性公差精度设计优化设计

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