[发明专利]一种轴向受力管壁变化的圆管及其设计方法

说明书

本发明公开了一种轴向受力管壁变化的圆管及其设计方法，包括具有负泊松比的二维模型设计和圆管尺寸设计；所述圆管纵断面为具有负泊松比效应的二维模型；所述二维模型位于空间直角坐标系的XOZ平面上且在X和Z方向上具有负泊松比效应；所述圆管的轴线即旋转轴L在XOZ平面内且平行于Z轴；所述旋转轴L与二维模型的距离即圆管内径D满足：D＞0；所述二维模型绕旋转轴L旋转360°。本发明方法设计出的圆管被证明具有受压(拉)变薄(厚)的特性，将为负泊松比材料的研究与应用拓展出一条全新的道路，具有极其深远的影响。

技术领域

本发明涉及一种通过设计具有负泊松比效应的管状结构来设计一种轴向受力管壁变化的圆管，并提出了一种轴向受力管壁变化的圆管的设计方法，属于新材料和新结构领域。

背景技术

负泊松比材料和结构具有不同寻常的力学特性，不同于传统材料的压胀拉缩，负泊松比材料在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀)。负泊松比材料具有许多理想特性，比如：剪切模量大、良好的断裂韧性、疲劳耐久性好、吸能效率高和不易产生凹痕等，比传统材料更有优势。这些优异的性能，使得负泊松比材料在医疗设备、传感器、防护设备、航空航海及国防工程等领域具有越来越广阔的应用前景。近年来，投身到负泊松比相关产品的设计和研发中的研究者越来越多。

负泊松比材料的相关研究已进行三十多年。只是，现有文献大多数是于二维的负泊松比材料研究。三维负泊松比材料多为多孔结构，其内部构造复杂。过去落后的制造技术使得三维负泊松比材料的实际运用很少。3D打印技术即增材制造技术，它的出现很好的解决了这个问题。利用这一技术，可以制备形状复杂的三维负泊松比材料和结构。将具有特殊力学性能的三维负泊松比材料和先进的3D打印技术相结合生产出具有特殊性能的负泊松比产品，具有现实意义。

将具有负泊松比效应的二维模型绕旋转轴旋转是获得具有负泊松比效应的三维模型的一种方法，发明人对利用此方法生成的具有负泊松比效应的圆管进行数值模拟(相关有限元软件)时发现这种圆管在轴向受压(拉)时圆管内径增大(减小)，外径减小(增大)。而普通圆管在轴向受压(拉)时圆管内径增大(减小)，外径增大(减小)，现有的负泊松比圆管在轴向受压(拉)时圆管内径减小(增大)，外径减小(增大)。受此启发，发明人提出一种轴向受压(拉)管壁变薄(厚)的圆管的设想。其在承受轴向压力(拉力)时圆管内径增大(减小)，外径减小(增大)。本发明将负泊松比管状结构和3D打印制造工艺相结合，设计和制作首个在轴向受压(拉)时圆管内径增大(减小)，外径减小(增大)的圆管，能在大的拉伸和压缩应变下均表现出此特性。与传统圆管相比，这种圆管具有极其特殊的力学特性，具有非常重要的科学意义和一定的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有特殊力学性能的圆管，为负泊松比材料的应用探索一条全新的道路，将与3D打印技术相结合，设计和制造具有特殊力学性能的圆管，并提出了具体设计方法，设计的圆管在轴向受压(拉)时圆管内径增大(减小)，外径减小(增大)。

本发明采用的技术方案为：一种轴向受力管壁变化的圆管，包括具有负泊松比的二维模型设计和圆管尺寸设计；

所述圆管纵断面为具有负泊松比效应的二维模型；

所述二维模型位于空间直角坐标系的XOZ平面上且在X和Z方向上具有负泊松比效应(此处以XOZ平面为例，其它平面同理)；

所述圆管的轴线即旋转轴L(方程表示为)在XOZ平面内且平行于Z轴(此处以直线平行于Z轴为例，直线平行于X轴同理)；

所述旋转轴L与二维模型的距离(即圆管内径)D满足：D＞0；

所述二维模型绕旋转轴L旋转360°。

所述二维模型上任意一点(x₀，0，z₀)旋转后路径为