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Theoretical and Applied Mechanics 机械亚努斯:拼装与取向重构 (《TAML》好文推荐,钱学森学院新闻报道)
发布者: 李博 | 2024-01-11 | 4382

 

 

Janus性质常被用来描述物体的不对称性,即在不同的外界作用下呈现出不同的响应状态,在各个领域都具有十分广泛的应用前景。物体的Janus特征与其结构密切相关,基本的尺寸特征如长度、宽度、厚度以及角度的微小改变都会对整体的Janus性产生影响。本研究通过改变这些特征,提出一种具有机械Janus性的胞元结构,并实现可编程性。

 

 

本研究设计的胞元结构由外部的八边形框架和插入内部的棱形骨架组成,其中长杆支撑和维持晶格刚度的作用,每个杆件之间通过一个柔性铰链连接以允许杆件之间发生相对转动,棱形骨架两端的“T”形结构用于实现与八边形框架的安装和拆卸。

 

 

 

胞元结构在两个方向相反的力的作用下变形规律迥异,其应力-应变曲线有较大差异:一种是低刚度状态,随着应力增大,应变明显的增大;另一种是高刚度状态,随着应力增大,应变具有较小的变化。而这种差异性被称为非互易性,符合Janus非对称性。本研究采用有限元和实验分析,通过改变棱形骨架的角度,证实非互易性和菱形骨架的角度有关,较小的角度能够提供较大的非互易性。

 

 

胞元机构有“T”形插头和插槽的设计,可以通过内部棱形骨架和外部框架的拆卸和重组来切换每个晶格的高、低刚度取向。当多个晶格组合在一起时,就可以改变其中一部分胞元的棱形骨架的排布来变换整个阵列在一个方向上的刚度。在实验中,将六个胞元组合为一个横向阵列,改变棱形骨架的排布方式,在相同大小的力的作用下,阵列的变形程度不同,实现整个阵列的刚度的改变。

 

 

 

 

 

 

 

研究结论
 

 

本研究利用Janus性质和静力学中的非互易概念,提出一种具有可编程性的非对称刚度的新型机械结构。在相等和相反的剪切荷载作用下,机械胞元会产生不对称的位移响应。并且通过改变内部的结构设计参数,可以显著影响其非互易性。同时,由于胞元结构采用拼接式组装设计,外部框架与棱形骨架可以重新组装,可以实现不对称取向的切换。当多个胞元排列成阵列时,可以通过在框架内插入棱形骨架来调节整个阵列结构的不对称刚度。可编程的非互易性结构在未来的隔振、减震、机械波信息传输、机械计算等领域表现出巨大的应用前景。

 

 

 

论文题目:Mechanical Janus lattice with plug-switch orientation

 

在线链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095034924000047

 

 

 

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钱学森学院新闻报道

 

钱学森班智能制造模块学生发表论文:机械亚努斯超材料胞元设计

 

https://bjb.xjtu.edu.cn/info/1010/3674.htm