[发明专利]非互易弯曲力学超材料及其设计方法

说明书

本申请公开了一种非互易弯曲力学超材料及其设计方法，非互易弯曲力学超材料，在三维空间内，包括多个周期性排布且相互连接的单胞结构；沿第一方向，单胞结构包括第一分部、第二分部和第三分部，沿第二方向上，单胞结构还包括相对设置的第四分部和第五分部；沿第三方向，单胞结构还包括相对设置的第六分部和第七分部；本发明提供的一种非互易弯曲力学超材料，通过打破三维结构的空间反演对称性以及引入非线性，实现了自然材料所不具备的非对称正、反向弯曲刚度特性，为力学功能超材料提供了新的范式。

技术领域

本发明涉及力学超材料结构设计领域，尤其涉及一种非互易弯曲力学超材料及其设计方法。

背景技术

根据连续介质力学中的麦克斯韦-贝蒂斯互易性定理，绝大多数自然材料的正、反向弯曲变形都应保持对称互易。在大小相同的正、反向弯矩荷载作用下，材料的正、反向弯曲挠度和转角响应均保持对称一致，具有对称相同的正、反向弯曲刚度。

倘若能够突破麦克斯韦-贝蒂斯互易性定理的限制，制备具有非对称正、反向弯曲刚度特性的非互易弯曲材料，获得自然材料所不具备的超常力学性能，这将为力学系统设计提供更多的自由度。然而，目前非互易弯曲材料仍非常匮乏，其开发设计仍面临着巨大的挑战。

发明内容

本发明旨在解决上述非互易弯曲材料匮乏的难题。为此，本发明公开了一种非互易弯曲力学超材料及其设计方法，该非互易弯曲力学超材料具有自然材料所不具备的非对称正、反向弯曲刚度特性。

一方面，本发明提供了一种非互易弯曲力学超材料，在三维空间内，包括多个周期性排布且相互连接的单胞结构；

沿第一方向，所述单胞结构包括第一分部、第二分部和第三分部；

所述第一分部包括四个第一连接杆，分别为第一甲连接杆、第一乙连接杆、第一丙连接杆和第一丁连接杆，四个所述第一连接杆的第一端连接至第一端点，且四个所述第一连接杆的第二端均位于第一平面内，沿所述第一方向上，所述第一端点位于所述第一平面和所述第二分部之间，且所述第一端点与所述第一平面具有第一间距；

所述第二分部包括四个第二连接杆，分别为第二甲连接杆、第二乙连接杆、第二丙连接杆和第二丁连接杆，四个所述第二连接杆的第一端连接至第二端点，且四个所述第二连接杆的第二端均位于第二平面内，沿所述第一方向上，所述第二端点位于所述第二平面和所述第一分部之间，且所述第二端点与所述第二平面具有第二间距；

所述第三分部包括四个第三连接杆，分别为第三甲连接杆、第三乙连接杆、第三丙连接杆和第三丁连接杆，四个所述第三连接杆的第一端连接至第三端点，且四个所述第三连接杆的第二端均位于第三平面内，沿所述第一方向上，所述第三端点位于所述第三平面远离所述第二分部之间，且所述第三端点与所述第三平面具有第三间距；

所述第一连接杆在所述第二平面的正投影与所述第三连接杆在所述第二平面的正投影重叠，所述第二连接杆在所述第三平面的正投影与所述第一连接杆在在所述第三平面的正投影交错设置，且所述第一端点在所述第一平面的正投影、所述第二端点在所述第一平面的正投影和所述第三端点在所述第一平面的正投影重叠，沿所述第一方向，所述第一平面、所述第二平面和所述第三平面相互平行；

沿第二方向上，所述单胞结构还包括相对设置的第四分部和第五分部；

所述第四分部包括四个第四连接杆，分别为第四甲连接杆、第四乙连接杆、第四丙连接杆和第四丁连接杆，四个所述第四连接杆的第一端连接至第四端点，且所述第四节点、以及四个所述第四连接杆的第二端均位于第四平面内；

其中，所述第四甲连接杆的第二端与所述第一甲连接杆的第二端连接至第一节点、所述第四乙连接杆的第二端与所述第一乙连接干的第二端连接至第二节点，所述第四丙连接杆的第二端与所述第三乙连接杆的第二端连接至第三节点，所述第四丁连接杆的第二端与所述第三甲连接杆的第二端连接至第四节点，所述第二甲连接杆的第二端连接至所述第四端点；