(57)【要約】  オーセチック構造、低孔隙率のオーセチックシート、オーセチック構造を伴うシステムおよびデバイス、ならびに、オーセチック構造の使用法および製造法が開示される。弾性的に硬質の本体３１０を含むオーセチック構造３００が開示され、弾性的に硬質の本体３１０は、弾性的に硬質の本体３１０を貫いて延在する複数の開口部３１２と、弾性的に硬質の本体３１０から突出する複数の突出部３１４とを有する。開口部３１２および突出部３１４は、行および列から成るアレイなどの、特別設計のパターンに配置される。開口部３１２は、既定の孔隙率を提供するとともに巨視的で平面的な負荷条件下での負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を通じて応力軽減を呈示するように、突出部３１４と協調するように構成される。いくつかの実施形態では、楕円形または半球形のディンプルである突出部３１４は、方形または６角形のパターンにおいて、Ｓ字形の貫通スロットまたは円形の穿孔である開口部３１２が間に配置される。
2018508737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーセチック構造であって、
弾性的に硬質の本体を備え、前記弾性的に硬質の本体が、
行および列から成る第１のアレイに配置されている、前記弾性的に硬質の本体を貫いて延在する複数の開口部と、
行および列から成る第２のアレイに配置されている、前記弾性的に硬質の本体から突出する複数の突出部と
を有し、
前記複数の開口部が、既定の孔隙率を提供するとともに巨視的で平面的な負荷条件下で負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を呈示するように、前記複数の突出部と協調するように構成されることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項２】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記突出部のそれぞれが、短軸に垂直な長軸を有する細長いものであることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項３】
請求項２に記載のオーセチック構造であって、前記突出部の前記短軸が、前記第２のアレイの前記行に平行であり、前記突出部の前記長軸が、前記第２のアレイの前記列に平行であることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項４】
請求項２に記載のオーセチック構造であって、前記突出部が、それぞれの長軸を前記第２のアレイの前記行に平行にして配置された第１の複数の突出部と、それぞれの長軸を前記第２のアレイの前記列に平行にして配置された第２の複数の突出部とを含むことを特徴とするオーセチック構造。
【請求項５】
請求項２に記載のオーセチック構造であって、前記突出部が楕円形であることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項６】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記突出部が、１つ以上の隆起した突出部、および１つ以上の窪んだ突出部を含むことを特徴とするオーセチック構造。
【請求項７】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記突出部が半球形であることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項８】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記複数の突出部が、前記複数の開口部と交互に配置されることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項９】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記開口部のそれぞれが、前記突出部のそれぞれを貫いて画定されることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項１０】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記開口部のそれぞれが、短軸に垂直な長軸を有する細長いものであることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項１１】
請求項１０に記載のオーセチック構造であって、前記開口部の前記長軸が、前記第１のアレイの前記行に平行であり、前記開口部の前記短軸が、前記第１のアレイの前記列に平行であることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項１２】
請求項１０に記載のオーセチック構造であって、前記開口部が、それぞれの長軸を前記第１のアレイの前記行に平行にして配置された第１の複数の開口部と、それぞれの長軸を前記第１のアレイの前記列に平行にして配置された第２の複数の開口部とを含むことを特徴とするオーセチック構造。
【請求項１３】
請求項１０に記載のオーセチック構造であって、前記開口部が、Ｓ字形の貫通スロットであることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項１４】
請求項１０に記載のオーセチック構造であって、前記細長い開口部が、応力が加えられていない状態にあるときに、前記弾性的に硬質の本体に存在することを特徴とするオーセチック構造。
【請求項１５】
請求項１０に記載のオーセチック構造であって、前記細長い開口部によって提供される前記既定の孔隙率が、おおよそ０．３〜９％であることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項１６】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記開口部のそれぞれ、および前記突出部のそれぞれが、おおよそ５〜４０のアスペクト比を有することを特徴とするオーセチック構造。
【請求項１７】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記開口部が、円形の穿孔であることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項１８】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記弾性的に硬質の本体が、金属製シートを含むことを特徴とするオーセチック構造。
【請求項１９】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記第１のアレイおよび前記第２のアレイが、前記開口部および前記突出部が同じ行および列に沿って整列するように、同一であることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項２０】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記開口部が、前記既定の孔隙率および第１の所定のアスペクト比を含む第１の幾何学的特性を具備し、前記突出部が、既定の深さおよび第２の所定のアスペクト比を含む第２の幾何学的特性を具備し、前記第１および第２の幾何学的特性が、巨視的で平面的な負荷の下でのＮＰＲ挙動を通じて応力軽減を呈示するように協調的に構成されることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項２１】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記弾性的に硬質の本体が、多結晶合金、または単結晶合金、またはその両方から成るシート材料を含むことを特徴とするオーセチック構造。
【請求項２２】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記突出部および前記開口部が、６角形単位セルのパターンに配置され、前記６角形単位セルのそれぞれの各頂点に前記突出部のうちの１つが位置し、前記６角形単位セルのそれぞれの中心に前記開口部のうちの１つが位置することを特徴とするオーセチック構造。
【請求項２３】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記突出部および前記開口部が、方形単位セルのパターンに配置され、前記方形単位セルのそれぞれの各頂点に前記開口部のうちの１つが位置し、前記方形単位セルのそれぞれの中心に前記突出部のうちの１つが位置することを特徴とするオーセチック構造。
【請求項２４】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記突出部および前記開口部が、方形単位セルのパターンに配置され、前記方形単位セルそれぞれの各頂点に前記突出部のうちの１つが位置し、前記方形単位セルそれぞれの中心に前記開口部のうちの１つが位置することを特徴とするオーセチック構造。
【請求項２５】
請求項１に記載のオーセチック構造であって、前記突出部および前記開口部が、方形単位セルのパターンに配置され、前記方形単位セルのそれぞれの各頂点に前記突出部のうちの１つが位置し、前記方形単位セルのそれぞれの中心に前記開口部のうちの１つが位置することを特徴とするオーセチック構造。
【請求項２６】
低孔隙率のオーセチック構造であって、
金属製シートであって、前記金属製シートを貫いて延在する複数のボイドと、前記金属製シートから突出する複数のディンプルとを有し、前記ボイドが、第１の幾何学的特性のセットを有しかつ第１のパターンに配置され、前記ディンプルが、第２の幾何学的特性のセットを有しかつ第２のパターンに配置される、金属製シートを備え、前記ボイドの前記幾何学的特性および前記パターンが、既定の孔隙率を提供するとともに巨視的な負荷条件下で負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を呈示するように、前記ディンプルの前記幾何学的特性および前記パターンと協調するように構成されることを特徴とするオーセチック構造。
【請求項２７】
オーセチック構造を製造する方法であって、
弾性的に硬質の本体を用意するステップと、
前記弾性的に硬質の本体に、前記弾性的に硬質の本体を貫いて延在する複数の開口部を付加するステップであって、前記複数の開口部が、行および列から成る第１のアレイに配置されるステップと、
前記弾性的に硬質の本体に、前記弾性的に硬質の本体から突出する複数の突出部を付加するステップであって、前記複数の突出部が、行および列から成る第２のアレイに配置されるステップと、
を含み、
前記複数の開口部が、既定の孔隙率を提供するとともに巨視的で平面的な負荷条件下での負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を通じて応力軽減を呈示するように、前記複数の突出部と協調するように構成されることを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法であって、前記突出部のそれぞれが、短軸に垂直な長軸を有する細長いものであることを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の方法であって、前記突出部の前記短軸が、前記第２のアレイの前記行に平行であり、前記突出部の前記長軸が、前記第２のアレイの前記列に平行であることを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２８に記載の方法であって、前記突出部が、それぞれの長軸を前記第２のアレイの前記行に平行にして配置された第１の複数の突出部と、それぞれの長軸を前記第２のアレイの前記列に平行にして配置された第２の複数の突出部とを含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項２８に記載の方法であって、前記突出部が楕円形であることを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項２７に記載の方法であって、前記突出部が、１つ以上の隆起した突出部、および１つ以上の窪んだ突出部を含むことを特徴とする方法。
【請求項３３】
請求項２７に記載の方法であって、前記突出部が半球形であることを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項２７に記載の方法であって、前記複数の突出部が、前記複数の開口部と交互に配置されることを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項２７に記載の方法であって、前記開口部のそれぞれが、前記突出部のそれぞれを貫いて画定されることを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項２７に記載の方法であって、前記開口部のそれぞれが、短軸に垂直な長軸を有する細長いものであることを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３６に記載の方法であって、前記開口部の前記長軸が、前記第１のアレイの前記行に平行であり、前記開口部の前記短軸が、前記第１のアレイの前記列に平行であることを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３６に記載の方法であって、前記開口部が、それぞれの長軸を前記第１のアレイの前記行に平行にして配置された第１の複数の開口部と、それぞれの長軸を前記第１のアレイの前記列に平行にして配置された第２の複数の開口部とを含むことを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項３６に記載の方法であって、前記開口部が、Ｓ字形の貫通スロットであることを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項３６に記載の方法であって、前記細長い開口部が、前記弾性的に硬質の本体に応力が加えられていない状態にあるときに、前記弾性的に硬質の本体に存在することを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項３６に記載の方法であって、前記細長い開口部によって提供される前記既定の孔隙率が、おおよそ０．３〜９％であることを特徴とする方法。
【請求項４２】
請求項２７に記載の方法であって、前記開口部のそれぞれ、および前記突出部のそれぞれが、おおよそ５〜４０のアスペクト比を有することを特徴とする方法。
【請求項４３】
請求項２７に記載の方法であって、前記開口部が、円形の穿孔であることを特徴とする方法。
【請求項４４】
請求項２７に記載の方法であって、前記弾性的に硬質の本体が、金属製シートを含むことを特徴とする方法。
【請求項４５】
請求項２７に記載の方法であって、前記第１のアレイおよび前記第２のアレイが、前記開口部および前記突出部が同じ行および列に沿って整列するように、同一であることを特徴とする方法。
【請求項４６】
請求項２７に記載の方法であって、前記開口部が、前記既定の孔隙率および第１の所定のアスペクト比を含む第１の幾何学的特性を具備し、前記突出部が、既定の深さおよび第２の所定のアスペクト比を含む第２の幾何学的特性を具備し、前記第１および第２の幾何学的特性が、巨視的で平面的な負荷条件下でのＮＰＲ挙動を通じて応力軽減を達成するように協調的に構成されることを特徴とする方法。
【請求項４７】
請求項２７に記載の方法であって、前記弾性的に硬質の本体が、多結晶合金、または単結晶合金、またはその両方から成るシート材料を含むことを特徴とする方法。
【請求項４８】
請求項２７に記載の方法であって、前記突出部および前記開口部が、６角形単位セルのパターンに配置され、前記６角形単位セルのそれぞれの各頂点に前記突出部のうちの１つが位置し、前記６角形単位セルのそれぞれの中心に前記開口部のうちの１つが位置することを特徴とする方法。
【請求項４９】
請求項２７に記載の方法であって、前記突出部および前記開口部が、方形単位セルのパターンに配置され、前記方形単位セルのそれぞれの各頂点に前記開口部のうちの１つが位置し、前記方形単位セルのそれぞれの中心に前記突出部のうちの１つが位置することを特徴とする方法。
【請求項５０】
請求項２７に記載の方法であって、前記突出部および前記開口部が、方形単位セルのパターンに配置され、前記方形単位セルのそれぞれの各頂点に前記突出部のうちの１つが位置し、前記方形単位セルのそれぞれの中心に前記開口部のうちの１つが位置することを特徴とする方法。
【請求項５１】
請求項２７に記載の方法であって、前記突出部および前記開口部が、方形単位セルのパターンに配置され、前記方形単位セルのそれぞれの各頂点に前記突出部のうちの１つが位置し、前記方形単位セルのそれぞれの中心に前記開口部のうちの１つが位置することを特徴とする方法。
【請求項５２】
オーセチック構造を作製する方法であって、
前記オーセチック構造の所定の設計要件に対する設計値を受け取るステップと、
前記受け取った設計値から、前記オーセチック構造のための必要とされる構成要素孔隙率を決定するステップと、
前記オーセチック構造に対する最大許容応力値を決定するステップと、
前記最大許容応力値および前記必要とされる構成要素孔隙率に少なくとも部分的に基づいて、前記オーセチック構造の複数のスロットのためのスロット設計パラメータを決定するステップと、
前記最大許容応力値および前記必要とされる構成要素孔隙率に少なくとも部分的に基づいて、前記オーセチック構造の複数のディンプルのためのディンプル設計パラメータを決定するステップと、
前記最大許容応力値および前記必要とされる構成要素孔隙率に少なくとも部分的に基づいて、前記スロットおよび前記ディンプルのための単位セル配置を決定するステップと、
前記決定されたスロット設計パラメータ、前記決定されたディンプル設計パラメータ、および前記決定された単位セル配置に従って、弾性的に硬質の本体に前記複数のスロットおよびディンプルを付加するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項５３】
請求項５２に記載の方法であって、前記受け取った設計値から前記オーセチック構造のための必要とされる剛性を決定するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項５４】
請求項５２に記載の方法であって、前記オーセチック構造の前記所定の設計要件に対する前記受け取った設計値から、前記オーセチック構造がＮＰＲに適しているかどうかを判定するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項５５】
請求項５４に記載の方法であって、意図された適用法が、熱応力主導型であるか、変位制御された負荷条件下で機能するか、または必要とされるＮＰＲ値に対する所定の値を有するか、またはそれらの任意の組合せである場合に、前記オーセチック構造がＮＰＲに適していることを特徴とする方法。
【請求項５６】
請求項５２に記載の方法であって、前記必要とされる構成要素孔隙率が高いのか中位なのかゼロなのかを判定するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項５７】
請求項５６に記載の方法であって、
前記必要とされる構成要素孔隙率が高い場合に、前記弾性的に硬質の本体への前記ディンプルの付加を減少するかまたは排除するステップと、
前記必要とされる構成要素孔隙率が中位である場合に、前記弾性的に硬質の本体に相補的な数の前記ディンプルおよび前記スロットを付加するステップと、
前記必要とされる構成要素孔隙率がゼロである場合に、前記弾性的に硬質の本体への前記スロットの付加を減少するかまたは排除するステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項５８】
請求項５２に記載の方法であって、前記弾性的に硬質の本体への前記スロットおよび前記ディンプルの付加に先立って、前記決定されたスロット設計パラメータ、前記決定されたディンプル設計パラメータ、および前記決定された単位セル配置を分析するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項５９】
請求項５２に記載の方法であって、前記スロット設計パラメータまたは前記ディンプル設計パラメータを適応させることにより前記ＮＰＲ挙動を調整するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項６０】
請求項５２に記載の方法であって、前記スロット設計パラメータが、前記スロットのための形状、サイズ、アスペクト比、またはそれらの任意の組合せを含むことを特徴とする方法。
【請求項６１】
請求項５２に記載の方法であって、前記ディンプル設計パラメータが、前記ディンプルのための形状、サイズ、深さ、またはそれらの任意の組合せを含むことを特徴とする方法。
【請求項６２】
請求項５２に記載の方法であって、前記単位セル配置が、パターン、間隔、比率、またはそれらの任意の組合せを含むことを特徴とする方法。
【請求項６３】
請求項５２に記載の方法であって、前記所定の設計要件が、外部負荷要件、熱減衰要件、またはそれらの任意の組合せを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、調整された等方性および異方性のポアソン比を有する多孔質材料およびセルラーソリッド（ｃｅｌｌｕｌａｒ  ｓｏｌｉｄ）に関する。より詳細には、本開示の態様は、負のポアソン比（ＮＰＲ：ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｐｏｉｓｓｏｎ’ｓ  Ｒａｔｉｏ）挙動を呈示する特別設計のパターンを有するオーセチック構造（ａｕｘｅｔｉｃ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）、ならびにそのような構造を使用するシステム、方法、およびデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２０１５年２月２０日に出願された米国特許仮出願第６２／１１８，８２３号、および２０１５年１月９日に出願された米国特許仮出願第６２／１０１，８３４号の優先権を主張するものであり、そのどちらもそれぞれの全体を本願に引用して援用する。
【０００３】
材料が特定の軸に沿って圧縮されるとき、それらは最も一般的には、印加される軸方向負荷に直交する方向に拡大することが認められる。逆に言えば、大抵の材料は、収縮の軸に直交する軸に沿って引張負荷が印加されたときに、特定の軸に沿って収縮する。この挙動を特徴付ける材料特性は、ポアソン比として知られており、これは、軸方向負荷条件下での横方向／側方向の歪みと軸方向／長手方向の歪みとの比率の負数と定義することができる。大多数の材料は、正のポアソン比によって特徴付けられ、このポアソン比は、ゴムでは約０．５、アルミニウム、真鍮、および鋼では約０．３、ガラスでは約０．２である。
【０００４】
反対に、負のポアソン比（ＮＰＲ）を有する材料は、軸方向に圧縮（または延伸）されると横断方向に収縮（または拡大）する。負のポアソン比挙動を呈示する材料は、しばしば「オーセチック」材料と呼ばれる。多くの研究の結果は、オーセチック挙動が材料の微細構造とその変形との間の相互作用を伴うことを示唆する。この例は、立方格子、天然積層セラミックス、強誘電性多結晶セラミックス、およびゼオライトを有する金属は全て負のポアソン比挙動を呈示し得るという発見によって提供される。さらに、いくつかの幾何形状および機構は、凹角構造、階層積層体、高分子および金属の発泡体を有する発泡体を含めて、ポアソン比に対して負の値を得るように提案されている。負のポアソン比の影響はまた、ソフトリソグラフィを使用して作製された複動材料を使用してマイクロメートルスケールで、また、カーボンナノチューブのシート組立体によりナノスケールで実証されている。
【０００５】
オーセチック材料の作製における重要な課題は、オーセチック材料が通常、複雑な幾何形状を有する構造体をホスト母材に埋め込むことを伴うことである。したがって、製造プロセスは、応用に向けての実用的開発における障害となっている。多くのオーセチック材料の基礎を形成する構造は、セルラーソリッドの構造である。これらの材料の変形に関する研究は、座屈現象の役割と、負荷容量と、圧縮負荷下でのエネルギー吸収とに重点を置く、比較的成熟した分野である。ごく最近、実験的研究と数値的研究とを組み合わせた結果は、２Ｄの周期的多孔質構造における機械的不安定性が元の幾何形状の劇的な変化を引き起こし得ることを証明した。具体的には、弾性母材内の円形穴の方形アレイの単軸負荷が、アレイに負荷がかかっている間に、交互に互いに直交する楕円のパターンをもたらすことが分かっている。これは、印加される歪みの臨界値を超える弾性不安定性に起因する。この不安定性で観察される幾何学的な再編成は、可逆性のものであるとともに反復可能なものであり、また、印加される負荷の狭い範囲にわたって生じる。さらに、パターンの変化は２Ｄ構造に対する単方向性の負のポアソン比挙動をもたらすことが示されており、すなわち、パターンの変化は、圧縮下でのみ生じる。
【０００６】
米国特許第５，２３３，８２８号（「’８２８号特許」）は、高温用途で利用される特別設計のボイド構造−燃焼器ライナまたは「遮熱材」−の例を示す。燃焼器ライナは、通常、ガスタービンの燃焼部で使用される。燃焼器ライナはまた、ガスタービンの排気部において、またはタービンブレードなどのガスタービンの他の部分もしくは構成要素において使用され得る。動作にあたっては、燃焼器は、約３，０００°Ｆまたはそれを上回るような強烈な高温でガスを燃焼させる。この強烈な熱がタービンに出る前に燃焼器に損傷を与えることを防ぐために、燃焼器ライナは、燃焼器の内部に設けられて、周囲の機関を断熱する。燃焼器ライナにわたって温度差および圧力差を最小限に抑えるために、‘８２８号特許に示されるように、連続的なパターンで配置された離間した冷却孔の形態をなす冷却特徴が、従来設けられてきた。別の例として、米国特許第８，０６６，４８２（Ｂ２）号は、ガスタービンの所望の領域の冷却を促進するとともに冷却孔内およびその周りの応力レベルを下げるために楕円形状の冷却孔を有する、特別設計の構造部材を提示している。欧州特許第０９７１１７２（Ａ１）号は、ガスタービンの燃焼ゾーンに使用される穿孔ライナの別の例を同様に示す。しかし、上記の特許文献のいずれも、オーセチック挙動を呈示するものとして、またはＮＰＲ効果を提供するように特別設計されているものとして開示された例を提供しない。
【０００７】
米国特許出願公開第２０１０／０００９１２０（Ａ１）号は、臨界の巨視的な応力または歪みが印加されると構造配置の変形を呈する弾性的または弾塑性的な固体を含む、様々な変形力のある周期的構造を開示している。前述の変形は、幾何学的パターンを変化させて、変形力のある周期的構造内の特徴の間隔および形状を変更する。臨界の巨視的な応力または歪みが取り除かれると、これらの弾性的で周期的な固体は、その元の形態に戻る。比較として、米国特許出願公開第２０１１／００５９２９１（Ａ１）号は、調整されたポアソン比挙動を提供する構造化多孔質材料を開示している。これらの多孔質構造は、負のまたはゼロのポアソン比を提供するようにボイドの変形に関する力学および材料の変形に関する力学を介して調整される、弾性のあるシートにおける楕円形または楕円形様のボイドのパターンから成る。上述の特許文献は全て、あらゆる目的のために、それぞれの全体を本願に引用して援用する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の態様は、特注の負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を提供するための特別設計のパターンを有する混成ディンプル−ボイドオーセチック構造を対象とする。例として、硬質であるが弾力性のある材料のシートが、楕円形、バーベル形、またはＳ字形の貫通スロットなどの注意深く設計されたボイドと、注意深く設計された隆起したまたは窪んだ突出部とを有して、作製される。これらのボイドおよび突出部は、変位負荷条件下での応力を軽減するように特別設計されたパターンで、シートの平面に配置される。応力の軽減は、例えば、セルの回転（ｃｅｌｌ  ｒｏｔａｔｉｏｎ）を通じて達成され、結果的に、シートにＮＰＲ挙動を与える。ボイドの形状は、種々の位相パラメータを調整することにより、応力を最小限に抑えるように最適化され得る。多くの形状パラメータも構造全体の孔隙率に影響を及ぼすので、いずれの応力最適化パターンも、それに関連した一定の孔隙率を有することになる。
【０００９】
多くの場合、パターン化されたオーセチック構造は、変位負荷条件における最小限の応力のために最適化されると、例えばガスタービンにおける燃焼構成要素のための目標といった典型的な目標よりも高い孔隙率になりがちである。これらの目標は、場合によっては９．０％に達するが一般に０．３〜５．０％の間であり、タービンの排気目標を達成するのに重要であり得る。関連する制約を最適化プロセスに適用することによりオーセチック構造にこの範囲内の孔隙率が与えられる場合、混成オーセチックを形成するためにボイドパターン化オーセチック特徴（例えば、スロット）とともに使用される無孔のオーセチック特徴（例えば、ディンプル）の付加を伴って、応力軽減が達成される。この混成構造は、ボイドのみを利用するオーセチック構造によって得られる孔隙率値よりもはるかに低い特定の孔隙率値を得て、既存の技術と比較して相応のＮＰＲ挙動を提供するとともになおも応力軽減を達成することができる。混成オーセチック構造の１つの例は、同じアスペクト比を有して方形パターンに配置される、楕円形のディンプルとＳ字形の貫通スロットの組合せを用いる。
【００１０】
本開示のいくつかの態様によれば、様々なオーセチック構造が開示される。一例では、オーセチック構造が、金属製シートまたは他の十分に弾性のある固体材料などの、弾性的に硬質の本体（ｅｌａｓｔｉｃａｌｌｙ  ｒｉｇｉｄ  ｂｏｄｙ）を含み、弾性的に硬質の本体は、弾性的に硬質の本体を貫いて延在する複数の開口部と、弾性的に硬質の本体から突出する複数の突出部とを有する。開口部は、行および列から成る第１のアレイに配置され、一方、突出部は、行および列から成る第２のアレイに配置される。開口部は、既定の孔隙率を提供するとともに、例えばそのようなＮＰＲ構造のセルの回転（ｃｅｌｌｕｌａｒ  ｒｏｔａｔｉｏｎ）および応力軽減特性を通じた、巨視的で平面的な負荷条件下での負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を通じた応力軽減を提示するために、複数の突出部と協調するように構成される。いくつかの構成では、楕円形または半球形のディンプルである突出部は、方形または６角形のパターンにおいて、Ｓ字形の貫通スロットまたは円形の穿孔である開口部が間に配置される。
【００１１】
本開示の他の態様によれば、低孔隙率のオーセチックシート構造が開示される。一例では、金属製シートを含む低孔隙率のオーセチックシート構造が提示され、金属製シートは、金属製シートを貫いて延在する複数のボイドと、金属製シートから突出する複数のディンプルとを有する。幅、半径、アスペクト比、および／または曲率などの第１の幾何学的特性のセットを有するボイドは、第１のパターンに配置される。アスペクト比および／または深さなどの第２の幾何学的特性のセットを有するディンプルは、第２のパターンに配置される。ボイドの幾何学的特性およびパターンは、既定の孔隙率を提供するとともに巨視的で平面的な負荷条件下での負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を通じて応力軽減を提示するために、ディンプルの幾何学的特性およびパターンと協調するように構成される。
【００１２】
本開示の他の態様は、オーセチック構造の製造方法および使用方法を対象とする。一例では、オーセチック構造を製造するための方法が提示される。前述の方法は、弾性的に硬質の本体を用意するステップと、弾性的に硬質の本体を貫いて延在する複数の開口部を弾性的に硬質の本体に付加するステップであって、複数の開口部が行および列から成る第１のアレイに配置されるステップと、弾性的に硬質の本体から突出する複数の突出部を弾性的に硬質の本体に付加するステップであって、複数の突出部が行および列から成る第２のアレイに配置されるステップと、を含み、複数の開口部は、既定の孔隙率を提供するとともに巨視的で平面的な負荷条件下での負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を通じた応力軽減を呈示するように、複数の突出部と協調するように構成される。弾性的に硬質の本体は、金属製シートまたは他の十分に弾性のある固体材料などの、様々な形態をとることができる。いくつかの構成では、楕円形または半球形のディンプルである突出部は、方形または６角形のパターンにおいて、Ｓ字形の貫通スロットまたは円形の穿孔である開口部が間に配置される。
【００１３】
本開示の他の態様によれば、オーセチック構造を作製する方法が提示される。この方法は、オーセチック構造の所定の設計要件に対する設計値を受け取るステップと、受け取った設計値から、オーセチック構造のための必要とされる構成要素の孔隙率および／または剛性を決定するステップと、オーセチック構造に対する最大許容応力値を決定するステップと、最大許容応力値および必要とされる構成要素孔隙率／剛性に少なくとも部分的に基づいて、オーセチック構造の複数のスロットのためのスロット設計パラメータを決定するステップと、最大許容応力値および必要とされる構成要素孔隙率／剛性に少なくとも部分的に基づいて、オーセチック構造の複数のディンプルのためのディンプル設計パラメータを決定するステップと、最大許容応力値および必要とされる構成要素孔隙率／剛性に少なくとも部分的に基づいて、スロットおよびディンプルのための単位セル配置（ｕｎｉｔ  ｃｅｌｌ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）を決定するステップと、決定されたスロット設計パラメータ、決定されたディンプル設計パラメータ、および決定された単位セル配置に従って、複数のスロットおよびディンプルを弾性的に硬質の本体に付加するステップと、を含む。
【００１４】
上記の概要は、本開示のあらゆる実施形態またはあらゆる態様を表すことを意図されたものではない。むしろ、前述の概要は、本明細書に提示された新規な態様および特徴のうちのいくつかの例示を提供するものに過ぎない。単独でまた任意の組合せで発明性があると考えられる、上記の特徴および利点、ならびに本開示の他の特徴および利点は、添付の図面および添付の特許請求の範囲に関連して解釈したときに、本開示を実施するための代表的な実施形態およびモードの以下の詳細な説明から容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本開示の態様による、細長い貫通孔を有する代表的な構造のポアソン比挙動を示す、公称歪み対ポアソン比のグラフである。
【図２Ａ】グラフからの特定のデータ点に対応する、図１の代表的な構造の図である。
【図２Ｂ】グラフからの特定のデータ点に対応する、図１の代表的な構造の図である。
【図２Ｃ】グラフからの特定のデータ点に対応する、図１の代表的な構造の図である。
【図３】本開示の態様による、楕円形の突出部とＳ字形の貫通スロットとを利用する代表的な混成ディンプル−ボイドオーセチック構造の平面図である。
【図４】本開示の態様による、楕円形の突出部とＳ字形の貫通スロットとを利用する代表的な混成ディンプル−ボイドオーセチック構造の平面図である。
【図５】本開示の態様による、半球形の突出部とＳ字形の貫通スロットとを利用する代表的な混成ディンプル−ボイドオーセチック構造の平面図である。
【図６】本開示の態様による、半球形の突出部とＳ字形の貫通スロットとを利用する代表的な混成ディンプル−ボイドオーセチック構造の平面図である。
【図７】本開示の態様による、半球形の突出部とＳ字形の貫通スロットとを利用する代表的な混成ディンプル−ボイドオーセチック構造の平面図である。
【図８】本開示の態様による、半球形の突出部と円形のボアスロット（ｂｏｒｅ  ｓｌｏｔ）とを利用する代表的な混成ディンプル−ボイドオーセチック構造の平面図である。
【図９】本開示の態様による、半球形の突出部と円形のボアスロット（ｂｏｒｅ  ｓｌｏｔ）とを利用する代表的な混成ディンプル−ボイドオーセチック構造の平面図である。
【図１０】開示された概念の態様によるオーセチック構造を作製するためのアルゴリズムまたはワークフロー図を示す、流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本開示は、様々な変形および代替形態を受け入れる余地があり、いくつかの代表的な実施形態が、例として図面に示されており、また、本明細書において詳細に説明される。しかし、本開示の発明性のある態様は、図面に示された特定の形態に限定されるものではないことが、理解されるべきである。むしろ、本開示は、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の精神および範囲に含まれる全ての変形、均等物、組合せおよび部分的組合せ、ならびに代替形態を含むものである。
【００１７】
本開示は、多くの異なる形態で実施形態を受け入れる余地がある。代表的な実施形態が、本開示は本開示の原理の例示と見なされるべきものでありかつ本開示の多様な態様を図示された実施形態に限定するように意図されたものではないという了解の下で、図面に示されており、本明細書において詳細に説明される。その限りにおいて、例えば、要約、発明の概要、および発明を実施するための形態のセクションにおいて開示されているが特許請求の範囲には明確に記載されていない要素および制限は、単独にまたは集合的に、含意、推測、または他の方法により、特許請求の範囲に組み込まれるべきではない。本発明の詳細な説明の目的のために、具体的に否定されていないかまたは論理的に禁じられていない限り、単数形は複数形を含み、その逆も同様であり、また、「含む」または「備える」または「有する」という用語は、「制限なく含む」を意味する。さらに、本明細書において、「約」、「ほぼ」、「実質的に」、「おおよそ」などの近似の用語は、例えば、「において、近く、近くにおいて」、または「〜の３〜５％内」、または「許容可能な製造公差内」、またはそれらの任意の論理的な組合せの意味で使用され得る。
【００１８】
本開示の態様は、巨視的に負荷をかけられたときに負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を提供する繰返しの開口部および突出部のパターンを含む、混成ディンプル−ボイドオーセチック構造を対象とする。ポアソン比（または、「ポアソン係数」）は、一般に、延伸された物体における横断方向の収縮歪みの長手方向の伸長歪みに対する比率として表され得る。ポアソン比は、典型的には、多くの合金、重合体、ポリマー発泡体、およびセルラーソリッドを含む大抵の材料の場合、正であり、それらの材料は、延伸されたときに断面が薄くなる。本明細書において開示されるオーセチック構造は、負のポアソン比挙動を呈示する。
【００１９】
開示される概念の態様によれば、オーセチック構造が１つの軸に沿って（例えば、Ｙ方向に）圧縮されると、隣り合う開口部の配置方法のために、同軸の歪みが、各セルの中心の周りにモーメントをもたらす。そして、それにより、セルが回転させられる。各セルは、そのすぐ隣のセルとは逆方向に回転する。この回転は、水平方向に隣り合ったセル間の横方向軸（Ｘ方向）の距離の減少をもたらす。言い換えれば、構造をＹ方向に圧縮することにより、構造はＸ方向に収縮させられる。反対に、Ｙ方向における引張りは、Ｘ方向における拡大をもたらす。構造全体のスケールにおいて、これは、オーセチック材料の挙動をまねる。しかし、本明細書で開示される構造の多くは、従来の材料で構成される。したがって、純粋な材料それ自体は、正のポアソン比を有し得るが、本明細書において開示される開口部および突出部のパターンの導入により構造を変形することにより、構造は、負のポアソン比を有するように振る舞う。
【００２０】
図１は、図２Ａ〜２Ｃに示された３つの代表的なボイド構造のポアソン比挙動を示す、公称歪みに対するポアソン比（ＰＲ）のグラフである。図１のチャートは、負荷下での各試験片のポアソン比を示す。特定の変形の水準において、「瞬間の」ＰＲは、変形の水準を表すパラメータ（例えば、公称歪み）と対照して判定されプロットされ得る。意図された適用法に対して設計者が所望のＮＰＲを有する場合、そのＰＲに対応する変形の水準を決定することができ、また、その条件における穴の幾何形状を決定することができる。次いで、応力を受けていない部品にこの穴の形状パターンを機械加工（製造）して、所望のＰＲを持つ構成要素を獲得することができる。
【００２１】
図２Ｂおよび２Ｃで明らかなように、ＮＰＲ開口部パターンは、楕円形の貫通スロットとして示される、水平方向および垂直方向に配向された細長い穴（「開口部」または「ボイド」または「スロット」とも呼ばれる）より成り得る。これらの細長い穴は、各垂直方向の線が均等に離間され、かつ、両次元における各水平方向の線が均等に離間される（また、Δｘ＝Δｙ）形で、水平方向および垂直方向の線（例えば、図２Ｂにおける方形アレイの行および列）に配置される。各スロットの中心は、各線のうちの２つの線の交差点上に位置する。水平方向に配向されたスロット、および垂直方向に配向されたスロットは、垂直方向に配向されたいずれのスロットも水平方向に配向されたスロットによって取り囲まれる（逆の場合も同じ）一方で次の垂直方向に配向されたスロットが両対角線上に見られるように、垂直方向および水平方向の線上に交互に並ぶ。これらのボイドは、冷却穴および／または減衰穴として機能することもでき、また、それらの配置により、応力軽減特徴としても機能することができる。本明細書で論じられるように、図２Ｂおよび２Ｃに示されたスロットのうちの１つ以上は、同じように成形されたディンプル（本明細書では「突出部」または「突起」とも呼ばれる）に置き換えられてもよい。
【００２２】
本明細書で開示される特定のオーセチック構造形状のうちのいずれかを含む材料による壁を有して作られるガスタービン燃焼器も開示される。いくつかの実施形態では、開口部の形状および突出部の形状は、製造時に金属構造をつぶすことなく金属体におけるＮＰＲ挙動を得るために、外部負荷下におけるゴムに見られるつぶれたボイド形状に開口部の形状が相当するように、応力が加えられていない状態で金属体に直接生成される。金属製構成要素にボイドパターンを複製するために、様々な製造工程が使用され得る。製造は、必ずしも工程ステップのうちの１つとして座屈を含まない。本明細書で開示されるオーセチック構造は、燃焼器壁に限定されるものではなく、むしろ、これらの特徴は、タービンの他の部分（例えば、ブレード、羽根等）に取り込まれ得る。
【００２３】
従来の燃焼器壁では、冷却用空気流および減衰のために使用される穴は、応力集中部としても機能する。開示された実施形態のうちのいくつかでは、熱点における壁材料がその周囲の材料を例えば垂直方向に圧迫すると、壁材料は負のポアソン比により水平方向に収縮することになり、逆の場合も同じである。この挙動は、熱点における応力を著しく減少させる。この効果は、低下した剛性の影響よりも紛れもなく強い。熱点における応力は、例えば５０％減少し、そのことにより、応力疲労寿命が桁違いに増加することになる。ＮＰＲ挙動による応力減少は、燃焼器壁の空気消費量を増加させない。より長い寿命は、そのように使用されてもよく、または、壁材料は、原料費を削減するために、より安価なものに置き換えられてもよい。
【００２４】
また、円形の燃焼器冷却孔を２〜３％の少量の細長い／楕円形の空気通路に置き換えることにより、冷却および減衰性能を維持しながらも熱機械応力が少なくとも５分の１に軽減されることが証明された。例えば、燃焼器における楕円形の冷却孔は、最悪の主応力を５分の１に減少させることが予測されている。したがって、ＮＰＲ挙動を誘発することは、ＮＰＲ挙動が従来の冷却孔と比較して最悪の主応力を５分の１に減少させるという点において、燃焼器の冷却孔にさらなる機能性を付加する。燃焼器固有の超合金の応力疲労において、分応力を半減させることにより、疲労寿命は１０倍超延びる。いくつかの実施形態では、超合金は、インコネル（例えば、ＩＮ１００、ＩＮ６００、ＩＮ７１３）、ワスパロイ、ルネ合金（例えば、ルネ４１、ルネ８０、ルネ９５、ルネＮ５）、ヘインズ合金、インコロイ、ＭＰ９８Ｔ、ＴＭＳ合金、およびＣＭＳＸ（例えば、ＣＭＳＸ−４）単結晶合金などの、ニッケル基超合金であり得る。
【００２５】
最適化された孔隙率は冷却機能の向上をもたらすことが示されている。本明細書において、「孔隙率」は、開口部の表面積ＡＡを構造体の表面積ＡＳで割ったものを意味すると定義することができ、すなわち、孔隙率＝ＡＡ／ＡＳである。所与のボイド構造の孔隙率は、いくつかの実施形態では約０．３〜９％であることが望ましい場合があり、または、いくつかの実施形態では約１〜４％であることが望ましい場合があり、または、いくつかの実施形態では約２％であることが望ましい場合がある。比較として、多くの従来技術の構成は、４０〜５０％の孔隙率を必要とする。
【００２６】
所望のＮＰＲ挙動を提供するために、細長い開口部に対する所定の最適なアスペクト比が存在する可能性がある。本明細書において、開口部の「アスペクト比」は、開口部の幅で割った長さ、または開口部の短軸の長さで割った長軸の長さを意味すると定義することができる。開口部のアスペクト比は、いくつかの実施形態ではおおよそ５〜４０であることが望ましい場合があり、または、いくつかの実施形態ではおおよそ２０〜３０であることが望ましい場合がある。最適なＮＰＲは、例えば、−０．５とすることができる。開示される概念の態様は、ミリメートルのパターン長さスケールで作成された構造パターンで実証することができ、また、単位格子が構造体に適合する限り、より小さな長さスケール（例えば、マイクロメートル、サブマイクロメートル、およびナノメートルの長さスケール）またはより長い長さスケールで同じ周期パターンを有する構造体にも同様に適用可能である。
【００２７】
次に図３〜９を参照すると、本開示によるＮＰＲ挙動を呈示する混成ディンプル−ボイドオーセチック構造の様々な例が示されている。例えば、図３は、細長い対称な突出部の交互パターンと細長い非対称なスロットの交互パターンとを利用する、全体的に３００で指名された混成ディンプル−ボイドオーセチック構造を示す。前述の突出部およびスロットは細長く、それぞれが、短軸（例えば、幅）よりも長くかつ短軸に直角な長軸（例えば、長さ）を有する。図示のように、オーセチック構造３００は、弾性的に硬質の本体３１０を含み、この弾性的に硬質の本体３１０は、巨視的な負荷状態が緩和または解消されたときに実質的にまたは完全にその元の形態に戻るのに十分な弾性を有する、金属製シートまたは他の剛体の形態であり得る。弾性的に硬質の本体３１０には、集合的に３１２として指名される複数のＳ字形の貫通スロット（または、「開口部」）が製作され、これらのスロットは、弾性的に硬質の本体３１０を貫いて延在する。細長い開口部は、応力が加えられていない状態にあるときに、弾性的に硬質の本体３１０に存在する。加えて、集合的に３１４として指名される複数の楕円形の突出部（または、「ディンプル」）が、弾性的に硬質の本体３１０の表面から突出する。隆起した突出部だけを含んで示されているが、オーセチック構造３００は、１つ以上の隆起した突出部と１つ以上の窪んだ突出部とを有して作製されてもよい。
【００２８】
Ｓ字形の貫通スロット３１２が、行と列とに（例えば、第１のアレイまたはマトリクスに）配置され、同様に、楕円形の突出部３１４が、行と列とに（例えば、第２のアレイまたはマトリクスに）配置される。図３の実施形態では、Ｓ字形の貫通スロット３１２の行は、楕円形の突出部３１４の行に挟まれる（例えば、完全にスロットから成る行が、上側および下側で完全に突出部から成る行に隣接され、その逆も同様である）。さらに、前述の行のそれぞれが、垂直に配向されたスロット／突出部と水平に配向されたスロット／突出部とを繰り返す。例えば、垂直に配向された各スロットは、その左手側および右手側で、水平に配向されたスロットに隣接され、一方で、垂直に配向された各突出部は、その左手側および右手側で、水平に配向された突出部に隣接される。この配置によれば、第１の複数の突出部およびスロットが、それらの長軸をアレイの行に平行にして配置され、一方で、第２の複数の突出部およびスロットが、それらの長軸をアレイの列と平行にして配置される。
【００２９】
図示された開口部および突出部のパターンは、既定の孔隙率（例えば、約０．３から９％）を提供するとともに、巨視的で平面的な負荷条件下で（例えば、シートの平面に引張または圧縮が適用されたときに）、確定された負のポアソン比（例えば、約−０．５から−０．７）を呈示する。例えば垂直軸に沿ってオーセチック構造３００が延伸されると、垂直方向における軸方向歪みにより、各セルの中心の周りにモーメントがもたらされ、それによりセルが回転される。セルは、隣接する２つのボイドに隣り合った隣接する２つのディンプルで構成され得る。各セルは、そのすぐ隣のセルの方向とは反対の方向に回転する。この回転は、構造をＹ方向に延伸させることが構造をＸ方向に延伸させるように、水平方向に隣り合ったセル間のＸ方向距離を増大させる。開口部は、既定の孔隙率および既定のアスペクト比を含む（第１の）特別設計された幾何学的特性を有し、一方、突出部は、既定の深さおよび既定のアスペクト比を含む（第２の）特別設計された幾何学的特性を有し、この幾何学的特性は、巨視的な応力および歪み負荷の下で所定のＮＰＲ挙動を得るために、ＮＰＲ特徴密度およびセル配置を含む開口部−突出部パターンの（第３の）特別設計された幾何学的特性と協調するように構成される。
【００３０】
単位セルの形状および鮮明度に関してディンプルおよびボイドの配向を変化させることも、本開示の範囲および精神に含まれる。例として、他の潜在的な単位セルの組成には、図５に見られるように４つの頂点のそれぞれに位置するボイドと中心にあるディンプルとでまたは各頂点に位置するディンプルと中心にあるボイド形状とで各単位セルが構成される方形単位セル、図６に見られるように６つの頂点のそれぞれに位置するディンプルと中心にあるボイド形状とでまたは頂点に位置するボイドと中心にあるディンプルとで各単位セルが構成される６角形単位セル、および、図７に見られるように形状の境界線に沿って配置されたボイドおよびディンプルの組合せによる多角形単位セルが含まれる。単位セルは、モザイク模様とされ得る任意の形状をとることができる。さらに、ディンプルとボイドとの間隔は、図９に見られるようにボイドがディンプルの頂部または側部に現れることを含めて、図８に見られるように増減されてもよい。代替的なディンプル形状と組み合わせて使用される代替的なボイド形状も想定される。いくつかの任意選択のボイド形状には、例えば、楕円形、円形、樽形、Ｉ字形、Ｓ字形、およびＺ字形の貫通スロットが含まれる。いくつかの任意選択のディンプル形状には、楕円形、半球形（ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ、ｓｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ）、Ｉ字形、Ｓ字形等が含まれる。
【００３１】
ディンプル形状を生成するために多くの方程式を使用することができ、一例が以下に提供される。ここで、ａおよびｂが、ｆ（ｘ，ｙ）＝０平面における楕円面のアスペクト比を制御する。ディンプルの深さは、δによって制御される。面外曲率は、αおよびβによって制御される。単一のディンプルは、
【数１】
2018508737.tif 000003
に制限される
【数２】
2018508737.tif 000004
により生成され得る。
ディンプルは、内向き／外向きのディンプルの組合せであってもよく、または、全てが平面から同じ方向に出ていてもよい。
【００３２】
所望の機械的挙動もしくは所望の冷却挙動、またはその両方を得るために、また、幾何学的要求を満たすために、任意の数の混成ディンプル−ボイドオーセチックシートが積み重ねられてもよい。あるいは、所望の挙動を得るために、混成オーセチックシートが平坦なまたは湾曲したシートと組み合わせられてもよく、または、混成ディンプル−ボイドシートと平坦な／湾曲したシートとの組合せが、統合されてもよい。多孔質のオーセチック特徴と無孔のオーセチック特徴との混成物を使用することの利点は、それぞれを個別に使用することと比較して、より広い孔隙率の範囲に合わせた設計が可能になることである。いくつかの無孔のオーセチック構造は、孔隙率０％の適用法のみを対象とし得る。パターン化ボイド構造は、比較的高い孔隙率において応力軽減に対する最上の便益を与える。これらの２種類のオーセチック構造を組み合わせることにより、より低い孔隙率のために設計しながらも、応力軽減に対する便益を実現することができる。
【００３３】
開示された構成のいずれかにとって有利な適用法は、ボイドが冷却空気を提供し、ディンプルが流れの乱流を増大させる、衝突噴流冷却式ライナ（ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ  ｅｆｆｕｓｉｏｎ  ｃｏｏｌｅｄ  ｌｉｎｅｒ）におけるものであり得る。この適用法は、注意深く設計された機械的挙動および改善された冷却方式により分応力を軽減することができるので、現在の技術の状況に優る改善を提示する。金属打ち抜きによりディンプルを形成し穴あけ加工（例えば、レーザ穴あけ加工）によってボイドを作り出すことなどの、開示された例示的な実施形態を製造するいくつかの可能な方法が存在する。実施形態はまた、精密さが得られる理由からインベストメント鋳造法などを介して鋳造されてもよく、または、焼結もしくは３Ｄ印刷を介して作製されてもよい。特定の用途の場合、ディンプル−ボイドオーセチック構造が、特定の構成要素の必要とされる孔隙率、幾何形状、および温度プロフィルに合わせて最適化され得る。
【００３４】
図４には、細長い対称な突出部および細長い非対称なスロットの交互パターンを利用する、全体的に４００で指名された混成ディンプル−ボイドオーセチック構造の別の例が示されている。外観に違いはあるが、オーセチック構造４００は、他のオーセチック構造に関連して本明細書で説明される特徴、選択肢、および代案の任意のものを含み得る。同様に、明確に否定されていないかまたは論理的に禁じられていない限り、本明細書で開示されるオーセチック構造のいずれかは、他の開示された実施形態と、特徴、選択肢、代案を共有し得る。例えば、図３に示されたオーセチック構造３００と同様に、図４のオーセチック構造４００は、そのうちのいくつかが４１２として標識されているＳ字形の貫通スロット／開口部と、そのうちのいくつかが４１４として標識されている隆起した楕円形の突出部／ディンプルとを含む、弾性的に硬質の本体４１０（例えば、多結晶合金および／または単結晶合金のシート材料）を備える。図３に提示された構成と同様に、図４のＳ字形の貫通スロット４１２および楕円形の突出部４１４は、方形アレイ、または行および列から成るマトリクスに配置される。対照的に、各行および各列は、楕円形の突出部４１４と交互に配置されたＳ字形の貫通スロット４１２を含む。例えば、垂直に配向された各ディンプル４１４は、水平に配向されたスロット４１２により４つの側面において隣接され、一方で、水平に配向された各スロット４１２は、垂直に配向されたディンプル４１４により４つの側面において隣接される。この配置によれば、突出部の短軸は、アレイの行に平行し、開口部の短軸は、アレイの列に平行する。したがって、開口部の長軸は、アレイの列に平行し、一方で、突出部の長軸は、アレイの列に平行する。
【００３５】
図５〜７は、対称な突出部および細長いスロットの交互パターンを利用する、それぞれ５００，６００、および７００として指名された混成ディンプル−ボイドオーセチック構造の追加的な例を提供する。上記のように、オーセチック構造５００，６００，７００は、上述のオーセチック構造などの他のオーセチック構造に関連して説明された特徴、選択肢、および代案の任意のものを含み得る。これらのオーセチック構造５００，６００，７００は、それぞれ、Ｓ字形の貫通スロット／開口部５１２，６１２，７１２、ならびに隆起した半球形の突出部／ディンプル５１４、６１４、および７１４を有してそれぞれ作製された、弾性的に硬質の本体５１０，６１０、および７１０を備える。図５では、Ｓ字形の貫通スロット５１２および半球形の突出部５１４は、方形単位セルの繰返しのまたはモザイク式のパターンに配置されており、各単位セルは、４つの隅部のそれぞれに配置されたスロット５１２と、４つのスロット５１２の中心にある突出部５１４とで構成される。対照的に、図６のオーセチック構造６１０は、６角形単位セルの繰返しのまたはモザイク式のパターンに配置されたＳ字形の貫通スロット６１２および半球形の突出部６１４を備え、各単位セルは、６つの隅部のそれぞれに配置された突出部６１４と６つの突出部６１４の中心にあるスロット６１２とで構成される。それに対し、図７は、６角形単位セルの繰返しのまたはモザイク式のパターンを用い、各セルは、セルの周囲に沿って配置されたスロット７１２および突出部７１４とセルの中心にあるスロット７１２との組合せを備える。
【００３６】
図８および９には、対称な突出部および対称な開口部の交互パターンを利用する、それぞれ８００および９００として指名された混成ディンプル−ボイドオーセチック構造の他の例が示されている。オーセチック構造８００，９００のそれぞれは、円形の開口部（または「穿孔」）８１２および９１２、ならびに隆起した半球形の突出部（または「ドーム」もしくは「ディンプル」）８１４および９１４を有してそれぞれ作製された、弾性的に硬質の本体８１０および９１０を備える。図８のオーセチック構造８００は、方形単位セルのパターンに配置された円形の穿孔８１２および半球形のディンプル８１４を有して設計されており、各単位セルは、４つの隅部のそれぞれに配置されたディンプル８１４と４つのディンプル８１４の中心にある穿孔８１２とで構成される。対照的に、図９のオーセチック構造９１０は、方形単位セルのパターンに配置された穿孔９１２およびディンプル９１４を有して特別設計されており、各単位セルは、４つの隅部のそれぞれに配置されたディンプル９１４と各ディンプル９１４の中心を貫通する穿孔９１２とで構成される。
【００３７】
本開示の態様はまた、オーセチック構造を製造する方法、およびオーセチック構造を使用する方法を対象とする。例として、図３〜９に関連して上述されたオーセチック構造などのオーセチック構造を製造するための方法が提示される。この方法は、包括的で非排他的な一連の行為として、図３の弾性的に硬質の本体３１０などの弾性的に硬質の本体を用意するステップと、弾性的に硬質の本体を貫いて延在する図２Ｂの楕円形のスロットおよび図３の細長いＳ字形のスロットなどの複数の開口部を弾性的に硬質の本体に付加するステップであって、開口部が行および列から成るアレイに配置されるステップと、弾性的に硬質の本体の表面から突出する図３の突出部または図５の半球形の突出部などの複数の突出部を弾性的に硬質の本体に付加するステップであって、突出部が行および列から成るアレイに配置されるステップと、を含む。開口部は、既定の孔隙率を提供するとともに応力または歪み下で負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を呈示するように、突出部−例えば、図３〜９に示された特別設計されたパターンのいずれかで配置される−と協調するように構成される。
【００３８】
次に図１０の流れ図を参照すると、オーセチック構造を特別設計しかつ作製する改善された方法が、本開示の態様に従って全体的に１０００で説明されている。図１０は、開示される概念に関連する上記または下記の機能のいずれかまたは全てを実行するために例えばコンピュータ援用設計（ＣＡＤ：ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ａｉｄｅｄ  ｄｅｓｉｇｎ）システム、応力計算および／または流量計算のための有限要素（ＦＥ：ｆｉｎｉｔｅ  ｅｌｅｍｅｎｔ）システム（または類似のもの）、および／またはコンピュータ自動化製造（ＣＡＭ：ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ａｕｔｏｍａｔｅｄ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）システムによって実行され得る命令を含む、アルゴリズムまたはワークフロー図を表すものであり得る。方法１０００は、図面のうちの図１〜９に示された様々な態様および特徴を参照しながら説明されるが、そのような参照は、純粋に説明および明確化のために提供される。
【００３９】
方法１０００は、ブロック１００１から始まり、所望のオーセチック構造の適用法のための一連の所定の設計要件に対する設計値を受け取る。これらの設計要件には、いくつかの非限定的な例として、外部負荷要件、熱減衰要件等が含まれ得る。場合により、ブロック１００３において、方法１０００は、ＮＰＲ挙動を取り入れることで恩恵を受け得る構成要素の所定の設計要件に対する受け取った設計値から、利用可能なＮＰＲ構造の適用法にその適用法が適しているかどうかを判定する。例えば、意図された適用法が、熱応力主導型であるか、変位制御された負荷条件下で機能するか、かつ／または必要とされるＮＰＲ値に対する所定の値を有する場合に、適用法は、「ＮＰＲに適した適用法」であると考えられ得る。オーセチック構造の適用法がＮＰＲに適していないと判定された場合（１００３＝いいえ）、方法は、従来の設計が利用されるブロック１００５に続く。
【００４０】
所望の適用法が実際にＮＰＲに適していることがブロック１００３において判定された場合（ブロック１００３＝はい）、方法は、ブロック１００７および／またはブロック１００９に続く。適用法の主要な設計要件が構造のための特定の必要とされる負のポアソン比（ＮＰＲ）値である場合、ワークフローは、ブロック１００７に進む。必要とされるＮＰＲ値は、スロット設計パラメータおよびディンプル設計パラメータをオーセチック構造に適応させることにより、ブロック１００９において調整され得る。例えば、ＮＰＲ挙動を呈示する開示されたオーセチック構造形状のいずれかは、ボイド特徴のアスペクト比および／または孔隙率を適応させることにより（一般に、より高いアスペクト比および／またはより高い孔隙率は、より負のＰＲを意味する）、または、適切なディンプル特性を選択することにより（一般に、より楕円形であることおよび／または険しさが少ないことは、より負のＰＲを意味する）、ポアソン比を調整するために適用され得る。所与の構成要素幾何形状のための正確な挙動を決定するために、パラメータ研究が用いられ得る。
【００４１】
あるいは、主要な設計要件が、目標とされた孔隙率値および／または剛性値である場合、ワークフローはブロック１０１１に進む。示された例によれば、ブロック１０１１はまた、受け取った設計値から、オーセチック構造のための必要とされる剛性を決定するステップを含み得る。ブロック１０１１において実施される判断は、場合により、必要とされる構成要素孔隙率が高いのか中位なのかゼロなのかを判定するステップと、必要とされる剛性が高いのか中位なのかゼロなのかを判定するステップとを必要とし得る。ブロック１０１３に示されるように、必要とされる構成要素孔隙率がゼロかまたはゼロに近くかつ／または必要とされる剛性が比較的高い場合、方法は、ブロック１０１５に示されるように、オーセチック構造が主にまたは単にＮＰＲディンプルを備えるように、オーセチック構造の弾性的に硬質の本体へのＮＰＲスロットの付加を減少するかまたは排除する。反対に、ブロック１０１７に示されるように、必要とされる構成要素孔隙率が比較的高く（例えば、おおよそ９．０％）かつ／または必要とされる剛性が比較的低い場合、方法は、ブロック１０１９に示されるように、オーセチック構造が主にまたは単にＮＰＲスロットを備えるように、オーセチック構造の弾性的に硬質の本体へのＮＰＲディンプルの付加を減少するかまたは排除する。しかし、ブロック１０２１に示されるように、必要とされる構成要素孔隙率が中位（例えば、０％を超えるが９％未満）でありかつ／または必要とされる剛性が中位であると判定された場合、方法は、ブロック１０２３に示されるように、相補的な数のＮＰＲディンプルとＮＰＲスロットとを弾性的に硬質の本体に付加する。
【００４２】
図１０を続けて参照すると、ブロック１０２５は、ブロック１００７および１０１１において確認された必要とされるＮＰＲ値および必要とされる構成要素孔隙率に少なくとも部分的に基づいて、オーセチック構造のＮＰＲスロットのためのスロット設計パラメータ、オーセチック構造のＮＰＲディンプルのためのディンプル設計パラメータ、ならびにスロットおよびディンプルのための単位セル配置を決定するステップを含む。スロット設計パラメータは、ＮＰＲスロットの形状、ＮＰＲスロットのサイズ、ＮＰＲスロットのアスペクト比等を、単独でまたは任意の組合せで含む。この関連で、ディンプル設計パラメータは、ＮＰＲディンプルの形状、ＮＰＲディンプルのサイズ、ＮＰＲディンプルの深さ等を、単独でまたは任意の組合せで含む。比較すると、単位セル配置は、スロットおよびディンプルのためのパターン、間隔、比率、またはそれらの任意の組合せを含む。いくつかのパターン設計規則は、ＮＰＲスロットの回転およびディンプルの平面内への変位からＮＰＲ挙動が得られることを考慮することを必要とし得る。したがって、少なくともいくつかの実施形態に対しては、上述のパラメータが、所望の応力特性および冷却性能特性を得るためにこの挙動を制御するように選択されることが望ましい。最小限の険しさを有する円形のディンプルは、楕円形のディンプルまたは険しさの強いディンプルよりも低いピーク応力を有する傾向がある。
【００４３】
次いで、方法１０００はブロック１０２７に進み、このブロック１０２７では、選択されたディンプル（例えば、半球形、楕円形等）および選択された貫通スロット（例えば、楕円形、Ｓ字形、Ｉ字形等）のパターンが、オーセチック構造の弾性的に硬質の本体の（上部）表面上に展開される。場合により、ブロック１０２９において、弾性的に硬質の本体へのスロットおよびディンプルの付加に先立って、スロット設計パラメータ、ディンプル設計パラメータ、および単位セル配置が分析される。この分析は、何らかの変化が必要とされているのかどうかを判定するために、費用モデル、減衰モデル、冷却モデル、および／または応力モデルを利用し得る。修正が必要な場合、ブロック１０３１において繰返しが実行され、次いで方法１０００はブロック１０２５に戻る。そうでない場合、方法１０００はブロック１０３３に進み、ブロック１０３３では、選択されたＮＰＲスロットおよびディンプルが、決定されたスロット設計パラメータ、ディンプル設計パラメータ、および単位セル配置に従って、弾性的に硬質の本体に付加される。
【００４４】
いくつかの実施形態では、方法は、少なくとも上記に列挙されかつ図面に示されたこれらのステップを含む。ステップを省略すること、さらなるステップを追加すること、および／または上記の順序を変更することも、本発明の範囲および精神に含まれる。前述の方法はオーセチック構造を設計および作製するための単一シーケンスを表すものであり得ることが、さらに留意されるべきである。しかし、方法は体系的かつ反復的な形で実施されることが期待される。
【００４５】
本開示の態様は、いくつかの実施形態では、コンピュータによって実行されるソフトウェアアプリケーションまたはアプリケーションプログラムと一般に呼ばれる、プログラムモジュールなどの、コンピュータ実行可能な命令のプログラムを通じて実装され得る。ソフトウェアは、非限定的な例では、特定のタスクを実行するかたまは特定の抽象データ型を実施する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、およびデータ構造を含み得る。ソフトウェアは、コンピュータが入力の供給元に従って反応することを可能にするインタフェースを形成し得る。ソフトウェアはまた、受信データの供給元と関連して受信されるデータに応答して様々なタスクを開始するために、他のコードセグメントと協働し得る。ソフトウェアは、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気ディスク、バブル記憶装置、および半導体記憶装置（例えば、様々なタイプのＲＡＭまたはＲＯＭ）などの、様々な記憶媒体の任意のものに保存され得る。
【００４６】
さらに、本開示の態様は、ハンドヘルドデバイス、多重プロセッサシステム、マイクロプロセッサを基礎とするまたはプログラム可能な大衆消費電子製品、ミニコンピュータ、汎用コンピュータ等を含む、様々なコンピュータシステムおよびコンピュータネットワークの構成で実施され得る。さらに、本開示の態様は、通信ネットワークを通じてリンクされる遠隔処理デバイスによりタスクが実行される、分散型コンピュータ環境で実施されてもよい。分散型コンピュータ環境では、プログラムモジュールは、記憶貯蔵デバイスを含む局部および遠隔の両方のコンピュータ記憶媒体に配置され得る。したがって、本開示の態様は、コンピュータシステムまたは他の処理システムにおいて、様々なハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せに関連して実装され得る。
【００４７】
特定の機能を実行しかつ互いに相互作用する様々なモジュールまたはブロックまたはステップを有するものとして本明細書において例示されかつ論じられたアルゴリズムは、純粋に例示および説明のために提供されたものであることが、留意されるべきである。これらのモジュールは、説明のためにそれらの機能に基づいて分離されているに過ぎず、コンピュータハードウェア、および／または適切なコンピュータハードウェアでの実行のためにコンピュータ可読媒体に保存され得る実行可能ソフトウェアコードを表し得ることが、理解されるべきである。様々なモジュールおよびユニットの種々の機能は、ハードウェア、および／または上記のような非推移的なコンピュータ可読媒体に保存されるソフトウェアとして、任意の態様でモジュールとして結合または分離されてもよく、別々にまたは組合せで使用されてもよい。
【００４８】
本発明は、本明細書において開示された明確な構成および組成に限定されるものではない。むしろ、前述の説明から明らかになるあらゆる変形、変更、組合せ、置換、および変化が、添付の特許請求の範囲において定められる本発明の範囲および精神に含まれる。さらに、本発明の概念は、前述の要素および態様のあらゆる組合せおよび部分的組合せを明確に含む。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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