基于机构特征映射的拉胀超材料拓扑设计与刚度综合研究
批准号:
52075015
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
裴旭
依托单位:
学科分类:
机器人与机构学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
裴旭
中文摘要
拉胀超材料是一种具有非常规特性的人工材料,在减振、声学等方面有良好的应用前景。然而现有设计或模仿自然、或凭借直觉,缺少有效的系统化指导。已有研究表明这类材料晶格的变形与机构的运动存在共性。本项目以机构学理论为基本框架,从机构构型和功能两个层面开展拉胀超材料的研究。基于从柔体变形到连杆-铰链机构运动的映射关系,确定机构结构参数与材料力学参数之间的数学关系,构建基于机构特征的拉胀超材料描述体系。分析拉胀机构输入-输出自由度与构型、尺度三者的内在联系,探究单环拉胀机构的设计问题;分析单环拉胀机构之间的运动协调机理,将数学中的“几何镶嵌”概念引入,探索机构单元周期/非周期排列的多环耦合机构综合,建立面向拉胀行为性能调控的设计理论。根据刚度需求反演各构件及铰链的刚度,从而确定柔性单元的结构与尺寸,将柔性机构的构型与尺度综合统一在刚度综合的体系下。通过微米级3D打印技术制备样件,并进行超材料性能实验。
英文摘要
Compared with traditional materials, metamaterials have the property of unique performance. However, existing designs come from imitating nature or resorting intuition, lacking of the scientific and effective systematic guidance. According to studies until present time, it is found that there is some commonness between the deformation of this kind of materials with the motion of mechanisms. This project takes the theory of mechanisms as the basic framework, and intend to study auxetic metamaterials from levels of depth and breadth. Based on the mapping from the deformation of flexible bodies to the motion of bar-and-joint mechanisms, the mathematical relationship between structural parameters of mechanisms and mechanical parameters of materials is determined, and the description of auxetic metamaterials based on mechanism characteristics is proposed. The correlation between input-output degrees of freedom, types and dimensions of auxetic linkages is analyzed, and the design problem is investigated. The kinematic compatibility of single-loop auxetic linkages is analyzed, and the synthesis of multi-loop coupled mechanisms based on the periodic/aperiodic arrangement of mechanism units is explored with the introduction of the mathematical concept of geometric tessellation. Thereupon the design theory for the performance regulation of auxetic behavior is established. The stiffness of each member and hinge is solved according to the stiffness requirement, then the structure and size of the flexible element are obtained, so that type and dimensional synthesis of compliant mechanisms are unifies in the framework of stiffness synthesis. Samples are designed based on the proposed design methodology, and fabricated by 3D printing technology. Finally, the stretching test of materials is carried out.
本项目主要针对负泊松比拉胀超材料进行设计及综合研究。拉胀超材料是一种具有非常规特性的人工材料,在减振、声学等方面有良好的应用前景。基于负泊松比胞元结构的超材料充分利用了特殊拉胀行为及能量吸收特性,在航空航天、精密仪器等领域展现出独特优势。在当前的研究背景下,拉胀超材料的研究仍面临结构适用性较窄的问题,难以在复杂多变的应用中充分发挥作用,因此对性能可调的超材料进行了深入研究,旨在通过设计和制造具有可调节力学性能的超材料,以适应更广泛的应用场景和需求。在研究过程中发现负热膨胀系数结构与负泊松比结构有诸多共通之处。将单向负热膨胀系数结构与负泊松比结构结合,可以实现双向同步收缩,经过适当参数设计可以得到各项同性负热膨胀系数结构。在研究负泊松比结构的同时也对负热膨胀系数结构开展了研究工作。.研究分别设计了多种超材料结构,通过3D打印技术制备样件,并进行超材料性能实验。将负泊松比超材料结构巧妙融入蛇形臂机器人设计,显著提升了蛇形臂在剪切、能量吸收、断裂韧性和抗压痕性能方面的表现,超越了传统结构的限制。摩擦各向异性结合拉胀特性,极大增强了在管道环境中的锚定能力,为其在狭小空间的蠕动运动奠定了坚实基础。将负热膨胀系数结构阵列化为薄板状超材料应用在卫星载荷安装平台支架顶部,可以在环境温度剧烈变化时补偿支架腿部的热膨胀,且其补偿参数可以根据杆件材料的热膨胀系数进行针对性设计调节。该方案在没有额外装置控制设备温度的情况下保持结构稳定性,可以显著降低卫星承载的有效载荷,同时减小对卫星的能量消耗。
基于柔性机构的微齿少齿差驱动的设计方法与性能研究
-
批准号:51675016
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:62.0万元
-
批准年份:2016
-
负责人:裴旭
-
依托单位:
用于移动机器人系统的柔性功能模块的设计与分析研究
-
批准号:51275552
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:80.0万元
-
批准年份:2012
-
负责人:裴旭
-
依托单位:
基于VCM概念的轮式移动机器人自适应机构设计及研究
-
批准号:50905005
-
项目类别:青年科学基金项目
-
资助金额:20.0万元
-
批准年份:2009
-
负责人:裴旭
-
依托单位:
国内基金
海外基金