International Journal of Mechanical S 灵感来自原子晶格的与应变无关的辅助超材料

文摘   2025-02-03 12:04   江苏  

具有应变无关的负泊松比(NPR)和杨氏模量的超材料在极端加载条件下的应用是必要的。然而,与应变无关的辅助超材料是罕见的,而且它们缺乏设计灵感。在本文中,我们提出了一种新的辅助超材料,其灵感来自于原子晶格与应变无关的NPR。由于独特的原子晶格而产生的新的NPR特性在放大到宏观超材料时保持有效,具有类似的变形机制。NPR和杨氏模量随加载应变的增加而保持不变。这些与链约束无关的辅助效应在广泛的范围内对各种可设计的几何参数是稳健的。此外,通过发展矩阵位移方法,对辅助超材料进行了几何参数的优化。与初始结构相比,自缺陷性增强3倍,杨氏模量增强2个量级,实现了优化的超材料。这项工作为从自然界的原子晶格设计应变无关的宏观生长超材料提供了丰富的灵感。


本文受与应变无关的NPR原子晶格的启发,设计了一种由弹性光束组成的新型宏观辅助超材料。宏观尺度的力学性能通过实验、数值和理论等方法研究了辅助超材料。其结论如下。

(1)提出了一种通用的原子晶格模拟设计方法。受Co2Se3原子晶格结构的NPR机理的启发,设计了一种新型的宏观生长超材料。结果表明,由于其独特的原子晶格,新的NPR性质在扩展到宏观结构时保持有效,具有相似的变形机制。

(2)重要的是,超材料的有效泊松比和归一化杨氏模量与应变无关,这意味着它们随着载荷应变的增加而变化很小。这种与应变无关的特性在很大的范围内保持了各种可设计的几何参数。

(3)通过调整几何参数,可以得到超材料的可指定泊松比和杨氏模量。结果表明,该超材料的有效泊松比为−值1.4~0.2,归一化杨氏模量为0~0.11。在参数优化的基础上,提出了一种优化的结构。结果表明,当NPR为−为0.603,归一化杨氏模量为0.063时,其缺陷度和归一化杨氏模量显著提高。





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