摘要：力学折纸超材料以折纸思想为基础,通过设计巧妙的特征结构来实现表观材料的特殊力学行为。为进一步融合折纸超材料和拉胀超材料的性能优势,受折纸范式启发设计一种多向的拉胀折纸超材料(AOMM)。基于静定结构承载变形机制,分析多向AOMM的负泊松比效应,建立相对密度、折叠效率、弹性等效本构以及载荷平台的理论模型,通过曲面响应揭示几何参数对多向AOMM折叠载荷的影响规律。采用热塑性聚氨酯(TPU)基材3D打印多向AOMM试件,通过准静态压缩实验进行变形、承载和吸能特性的分析。结果表明:TPU AOMM具有一定的形状恢复能力、负泊松比效应和稳定的吸能平台,平台门槛应变和相对密度的理论值与实验结果吻合较好。研究结果可为拉胀折纸超材料的设计和应用提供参考。

摘要：前期研究工作中,基于有限元分析,作者发展了一种在大变形范围内具有可调恒定负泊松比的新型增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料.为了揭示微观结构-力学性能关系,并进一步指导超材料目标参数设计,本文在小变形框架下基于能量法建立了表征该拉胀材料等效泊松比和弹性模量的理论模型.增强六手臂缺失支柱手性拉胀材料由“Z”型手臂元件组成.“Z”型手臂可以被假设为两端简支的欧拉-伯努利梁.因此,本文首先推导了两端受集中力和力偶的任意形状欧拉-伯努利梁的应变能.然后,考虑平衡条件和变形协调条件进一步给出了材料等效泊松比和弹性模量的理论表达式.研究表明只有“Z”型梁的内外手臂比为2:1时,理论表达式才有简洁的形式.为了更好地利用所推导的理论表达,基于理论推导,本文开发了MATLAT图形用户界面(GUI).在GUI中输入可描述该超材料几何形状的独立几何参数,即可直接获取其等效泊松比和弹性模量.最后,基于理论结果,系统讨论了超材料微结构几何参数对其等效力学性能的影响,并将理论解与有限元计算结果进行了对比.结果表明,可以通过调控微结构几何参数获取大范围的目标力学性能.