基于二维组装的三维力学超材料设计

针对力学超材料设计中缺乏统一模型和仿真预测困难等问题,建立了正、负泊松比力学超材料的统一数学模型,采用参数化方法设计了一种由负泊松比向正泊松比连续变化的二维力学超材料单元族,基于拉伸实验和仿真结果构建了该类二维力学超材料本构模型,建立了组元构造参数和等效力学属性间的关系。三维力学超材料组元由离散装配的二维组元构建而成,根据力学超材料二维-三维组元空间拓扑关系构建三维组元本构模型。通过多组拉伸(压缩)实验对二维、三维力学超材料本构模型进行验证,结果显示,二维组元等效力学属性预测值与试验值分布趋势一致,二维组元和三维组元的等效力学属性预测值与试验值的误差均小于15%。

基于力学超材料的柔性机械臂设计技术

以力学超材料为基础结构的柔性机械臂可通过力学超材料的调配设计实现多重弯曲运动。为探究该类柔性机械臂的变形特性,在分析柔性机械臂结构及其驱动原理的基础上,通过分段常曲率假设建立胞元组变形的数学模型,同时根据柔性机械臂单元的弯曲特性进一步提出了单节柔性机械臂单元和多节柔性机械臂单元的变形预测模型,最后通过实物实验验证了变形预测模型的有效性,完成了超过±90°的弯曲并对末端周围的环境进行探查,可应用于复杂狭小空间的检视。

力学超材料柔性后缘设计技术

后缘可变弯度机翼在改善飞行器气动性能方面具有显著优势,采用光滑连续的柔性变形能够获得更好的气动性能。本文提出了一种基于力学超材料的柔性可变后缘结构,以NACA4418翼型为基本翼型分析机翼变形前后气动性能变化,通过对两种不同结构的力学超材料进行单元布局组合,开展了柔性机翼变形驱动的逆向结构分布式设计,基于增材制造技术制造装配了超材料单元机翼实物,试验结果表明,该方法设计的机翼样段结构较轻,变形响应速度快,能够在1s内实现柔性后缘偏转22.4°,整体结构易于制造装配,可有效实现机翼后缘的柔性变弯度。