本發明公開了一種設計具有負泊松比效應圓管的方法，其操作步驟為：首先，設計具有二維周期圓孔的平面矩形；然后，利用坐標變換的方法將具有二維周期圓孔的平面矩形圍繞成一個圓管；再利用有限元的方法對該圓管的有限元模型進行軸向屈曲分析,并對所得到的屈曲模態進行識別，將理想的具有橫豎交替排列孔洞的模態篩選出來；利用模態比例因子法對帶有周期圓孔的圓管進行改進，成為在軸向壓縮和拉伸的情形下都具有負泊松比效應的圓管。此方法被證明具有很強的操作性和適用性。

技術領域

本發明涉及一種基于有限元模態比例因子法生成負泊松比管狀結構的方法，提供了一種全新的負泊松比管狀結構的設計方法，利用該方法能設計出具有較大拉脹效應同時能在軸向壓縮和拉伸中同時表現出負泊松比效應的管狀結構，屬于結構優化、新穎結構和材料領域。

背景技術

具有負泊松比的材料和結構能表現出不同尋常的性能：在受到軸向拉伸時，其與受力的軸向方向垂直的方向上不僅不收縮，反而膨脹；在受到軸向壓縮時，其與受力的軸向方向垂直的方向上不僅不膨脹，反而收縮，如圖1所示。負泊松比材料所具有的特殊變形形式，使得其在很多方面具有比常規材料更優的性能，比如：抗凹陷性能、抗剪切性能、曲面同向行為、回彈性能、能量吸收性能、斷裂韌性、減振性能等。以上所述有點使得負泊松比材料在軍工、紡織品、器械裝備、智能過濾器等領域有廣闊的運用前景，近年來，越來越多的研究者投身到了負泊松比材料相關的研究中。

作為負泊松比材料的一個分支，負泊松比管狀結構也吸引了越來越多研究者的關注。負泊松比管狀結構可以作為可折疊裝置應用在醫學領域中，比如血管支架和食道支架。對于大多數現有的醫療裝置，其結構外形基本都是提前人工預設的。最傳統的方式就是利用二維的負泊松比平板滾成圓管。但是，用此種方法設計的管狀結構不能在大的變形下表現出負泊松比效應。除此之外，大多現有的負泊松比管狀結構只能在軸向拉伸的情況下表現負泊松比性能。這里，我們利用最新的模態比例因子法來制作一種簡單的負泊松比管狀結構。通過這種方法設計的管狀結構，其負泊松比性能能通過單一的模態比例因子來調整。設計和研究具有更大負泊松比效應、并能同時在軸向壓縮和拉伸的大應變范圍維持拉脹性能的負泊松比管狀結構，具有非常重要的科學意義。

發明內容

本發明針對目前負泊松管狀結構僅能在軸向拉伸情形下表現負泊松比效應以及外觀設計形式單一的特點，提出了一種對帶有周期圓孔的圓管進行屈曲分析，通過理想模態來設計負泊松圓管的方法。相較于傳統的具有四邊形孔洞的負泊松比圓管，該方法能夠利用單一的模態比例因子來控制所設計的負泊松比管狀結構。通過此方法設計的管狀結構的負泊松比性能能用單一的模態比例因子控制。通過該方法能設計出具有更明顯拉脹效應，同時能在大的應變范圍內維持負泊松比性能。此外，通過增厚圓管壁厚的方式，所設計的負泊松比圓管不僅能在軸向拉伸下表現出負泊松比性能，同時在軸向壓縮的情況下表現負泊松比性能。

本發明采用的技術方案為：一種設計具有負泊松比效應圓管的方法，其操作步驟為：

1)設計具有二維周期多孔結構的平面矩形；

2)利用坐標變換法將具有二維周期多孔結構的平面矩形生成為一個圓管；

3)利用有限元的方法對該圓管的有限元模型進行軸向屈曲分析,并對所得到的屈曲模態進行識別，將理想的具有橫豎交替排列孔洞的模態篩選出來；

4)利用模態比例因子法對帶有周期多孔的圓管進行改進，成為在軸向壓縮和拉伸的情形下都具有負泊松比效應的圓管。

作為優選，所述步驟1)中設計具有周期多孔結構的二維矩形平面，其孔狀結構包括：①圓形；②正方形；③長方形；④多邊形。

作為優選，所述步驟3)中利用有限元軟件Abaqus對所設計的帶周期多孔的圓管進行有限元屈曲分析：具有負泊松比效應的屈曲模態一般都會呈現出橫豎交替的孔洞。因此在這一步驟中，所有的屈曲模態都會被仔細鑒別，具有負泊松比效應的屈曲模態將會被識別，同時能產生出此種理想屈曲模態的微結構也會被篩選出來.