具有定制机械性能的多材料负泊松比结构的分析设计

摘要

多材料3D打印技术使得由不同材料构成的负泊松比结构得以开发，这种结构能够更好地调节某些性能参数，从而提升机械性能。本文基于Timoshenko梁理论提出了一个理论模型，探讨了六个几何参数和三个材料参数如何影响这种负泊松比结构的行为。推导出的方程表明，在所有材料参数相同的情况下（即单材料模型中），泊松比主要受几何形状控制；而在多材料模型中，几何形状和材料参数共同决定了结构的负泊松比行为。理论分析显示，将具有较高杨氏模量的材料用于垂直梁可以增强结构的负泊松比效应，而相反的分配方式则会导致负泊松比效应最弱。此外，本文还进行了实验和仿真验证了理论预测的结果。研究发现，适当的材料分布和几何配置组合可以产生一种独特的变形模式，该模式具有多个峰值力，从而显著提高塑性变形阶段的能量吸收能力。总体而言，本研究为设计多材料负泊松比结构提供了一个系统性的框架，并强调了其优势与复杂性。