Структура с нулевой пористостью и отрицательным коэффициентом Пуассона и настройка структуры с отрицательным коэффициентом Пуассона для конкретных участков
STRUCTURE WITH ZERO POROSITY AND NEGATIVE COEFFICIENT OF POISSON AND ADJUSTMENT OF STRUCTURE WITH NEGATIVE COEFFICIENT OF POISSON FOR SPECIFIC SECTIONS

Перекрестная ссылка на связанные заявки
[0001] Настоящая заявка претендует на приоритет заявки на патент США №62/118819, зарегистрированной 20 февраля 2015 г., и заявки на патент США №62/101823, зарегистрированной 9 января 2015 г., обе из которых полностью включены в настоящий документ путем ссылки.
Область техники
[0002] Настоящее раскрытие в целом относится к материалам, обладающим отрицательным коэффициентом Пуассона (Negative Poisson's Ratio, NPR), а также к системам, способам и устройствам, в которых используются такие материалы.
Предпосылки создания изобретения
[0003] При сжатии материалов вдоль некоторой оси они, как правило, расширяются в направлениях, поперечных к приложенной нагрузке. Свойство материала, которое характеризует это поведение, известно как коэффициент Пуассона и определяется как взятое со знаком минус отношение поперечной и продольной деформации. Большинство материалов характеризуется положительным коэффициентом Пуассона, который составляет приблизительно 0,5 для резины и 0,3 для стекла и стали.
[0004] Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона сокращаются (или расширяются) в поперечном направлении, когда сжаты (или растянуты), и, хотя в принципе они могут существовать, демонстрация их на практике произошла сравнительно недавно. Материалы, которые демонстрируют отрицательный коэффициент Пуассона, часто называю «ауксетическими». Результаты многих исследований позволяют предположить, что ауксетическое поведение включает взаимодействие между микроструктурой материала и его деформацией. Продемонстрированы примеры, когда металлы с кубической решеткой, натуральная слоистая керамика, сегнетоэлектрическая поликристаллическая керамика и цеолиты могут демонстрировать отрицательный коэффициент Пуассона. Кроме того, было предложено несколько конфигураций и механизмов, чтобы добиться отрицательного коэффициента Пуассона, включая пену с реентерабельной структурой, иерархические слоистые материалы, полимерную и металлическую пену. Отрицательный коэффициент Пуассона был также продемонстрирован в микроструктурах с использованием комплексных структур, которые были изготовлены с использованием мягкой литографии в наноразмерном масштабе на листовых сборках их углеродных нанотрубок.
[0005] В патенте США №5233828 (далее «патент 828») показан пример сконструированного строительного элемента - облицовки камеры сгорания, - используемого в высокотемпературных приложениях. Облицовка камеры сгорания в общем случае используются в секции сгорания газовой турбины, но может также использоваться в выпускной секции или в других секциях или компонентах газовой турбины, таких как турбинные лопатки. При работе газ, вырабатываемый при сгорании, имеет высокую температуру, например 3000°F (1649°С) или выше. Чтобы эта высокая температура не повредила камеру сгорания прежде, чем газ дойдет до турбины, в камеру сгорания вставляют облицовку, чтобы изолировать окружающий двигатель. Для минимизации температуры и перепада давлений в оболочке камеры сгорания традиционно создают охлаждающие щели, как показано в патенте 828. В этом патенте 828 показана часть кольцевой оболочки камеры сгорания, имеющей пространственно разделенные охлаждающие отверстия, расположенные в виде непрерывного рисунка и наклоненные к стенке оболочки. В патенте США №8066482 В2 показан другой пример сконструированной структурной детали, имеющей охлаждающие отверстия такой формы, чтобы увеличить охлаждение желаемой области газовой турбины и уменьшить уровни напряжения внутри и вокруг охлаждающих отверстий. В Европейском патентном документе ЕР 0971172 А1 аналогично показан другой пример перфорированной оболочки, используемой в зоне горения газовой турбины. В еще одном примере, в заявке на патент США №2010/0009120 А1, раскрыто несколько трансформируемых периодических структур, которые включают эластомерные или упругопластические периодические твердые тела, которые испытывают трансформацию структурной конфигурации при приложении критического макроскопического напряжения или деформации. В заявке PCT/US2014/025324 раскрыты, среди прочего, пористые структуры с повторяющимся рисунком удлиненных отверстий, обеспечивающим отрицательный коэффициент Пуассона. В заявке PCT/US2014/024830 раскрыто, среди прочего, твердое тело, имеющее сконструированную полую структуру, которая заставляет твердое тело (имеющее положительный коэффициент Пуассона) демонстрировать псевдо-ауксетическое (NPR) поведение при приложении напряжения к этому твердому телу. Сконструированная пористая структура обеспечивает такую пористость, которая необходима в приложениях, где имеются камеры сгорания для газовой турбины. Все цитированные выше документы полностью включены в настоящее описание путем ссылки.
Сущность изобретения
[0006] Настоящее изобретения относится к трансформации листовой структуры или одной или более ее субчастей, имеющих положительный коэффициент Пуассона (PPR), в структуру с отрицательным коэффициентом Пуассона («ауксетическую» структуру) вдоль одной или большего количества осей.
[0007] По меньшей мере в некоторых аспектах настоящего изобретения структура с нулевой пористостью содержит материал с нулевой пористостью, который содержит множество структурных элементов, предназначенных для создания отрицательного коэффициента Пуассона. В некоторых аспектах структура содержит листовой материал, такой как, но этим не ограничиваясь, тонколистовую сталь, ленточную сталь, листовой металл. В других аспектах структура может содержать, но этим не ограничиваясь, литой или пластинчатый металл. В еще других аспектах структура может содержать формфакторы и материалы, включая, но этим не ограничиваясь, композиционные материалы, полимеры и металлические сплавы.
[0008] По меньшей мере в некоторых других аспектах настоящего изобретения структура с нулевой пористостью содержит первую часть материала, имеющую первое мозаичное расположение для первого множества структурных элементов, и вторую часть материала, имеющую второе мозаичное расположение для второго множества структурных элементов, при этом первое мозаичное расположение отличается от второго мозаичного расположения, при этом по меньшей мере одна из первой части материала или второй части материала обеспечивает, в зависимости от соответствующей конфигурации мозаичного расположения, по меньшей мере одно из следующего: заранее заданный локальный отрицательный коэффициент Пуассона или заранее заданный глобальный отрицательный коэффициент Пуассона.
[0009] В других аспектах настоящего изобретения способ создания структуры с нулевой пористостью включает установление конструкторских ограничений для структуры с нулевой пористостью и определение, в пределах этих конструкторских ограничений, по меньшей мере одной мозаичной схемы расположения, включающей множество структурных элементов, имеющих одну или большее количество форм, которые в совокупности обеспечивают результирующий отрицательный коэффициент Пуассона для структуры. Способ также включает создание структуры с нулевой пористостью, совместимой с указанной операцией определения.
[0010] В еще одном аспекте настоящего изобретения структура с нулевой пористостью содержит тонкостенную структуру, сформированную из множества определенных структурных элементов, которые могут содержать сферические сегменты или могут быть определены функцией:
где
а
[0011] при этом  и b задают формат эллипсоида в плоскости f(x, у)=0; 5 -максимальная глубина структурного элемента, а α и β изменяют поперечную кривизну, при этом структурные элементы в целом обеспечивают создание структуры с отрицательным коэффициентом Пуассона.
[0012] Приведенное выше краткое изложение изобретения не предполагает представления каждого варианта выполнения настоящего изобретения или каждого его аспекта. Это изложение просто иллюстрирует некоторые из новых признаков изобретения. Вышеуказанные признаки и преимущества, а также другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из последующего подробного описания примеров выполнения настоящего изобретения и способов реализации настоящего изобретения совместно с сопровождающими чертежами и формулой изобретения.
Краткое описание чертежей
[0013] На фиг. 1(a) показана изометрическая проекция и вид сбоку, соответственно, слоя, на котором согласно некоторой схеме расположения имеется множество структурных элементов, выступающих из плоскости слоя в одном и том же направлении согласно по меньшей мере некоторым аспектам настоящего изобретения.
[0014] На фиг. 1(b) показана изометрическая проекция и вид сбоку, соответственно, слоя, на котором согласно некоторой схеме расположения имеется множество структурных элементов, имеющих различные (например, чередующиеся, как показано) вогнутости согласно по меньшей мере некоторым аспектам настоящего изобретения.
[0015] На фиг. 1(c) показано другое представление слоя согласно фиг. 1(B), при этом этот слой имеет ряд структурных элементов с различными (например, чередующимися, как показано) вогнутостями.
[0016] На фиг. 1(d) показана трубчатая тонкостенная структура, имеющая ряд направленных внутрь структурных элементов согласно по меньшей мере некоторым аспектам настоящего изобретения.
[0017] На фиг. 2(а)-2(h) показано множество неограничивающих мозаичных схем для слоев, имеющих множество структурных элементов, таких как показаны на фиг. 1(а)-(d), согласно по меньшей мере некоторым аспектам настоящего изобретения.
[0018] Хотя аспекты настоящего изобретения зависят от различных изменений и альтернативных форм, на чертежах для примера показаны конкретные варианты выполнения настоящего изобретения, которые подробно описаны ниже. Однако очевидно, что изобретение не ограничено конкретными раскрытыми формами. Наоборот, изобретение охватывает все модификации, эквиваленты и альтернативы, находящиеся в пределах объема изобретения, определенного пунктами формулы изобретения.
Подробное описание
[0019] Ниже будут подробно описаны со ссылками на сопровождающие чертежи репрезентативные варианты выполнения настоящего изобретения, но следует понимать, что данное описание следует рассматривать как иллюстрацию принципов настоящего раскрытия, и оно не должно рассматриваться как ограничивающее широкие аспекты изобретения, иллюстрируемые вариантами его выполнения. При этом элементы и ограничения, которые раскрыты, например, в реферате, описании сущности изобретения и подробном описании, но не сформулированы в пунктах формулы изобретения явно, не следует рассматривать как включенные в пункты формулы изобретения, по отдельности или все вместе, прямо или косвенно и т.д.
[0020] Для целей данного подробного описания, если явно не сказано иначе, единственное число включает множественное число и наоборот; слова «и» и «или» могут быть оба соединительными или разъединительными, слово «все» означает «любой и все», и слова «включающий», «содержащий» или «имеющий» означают «включающий без ограничений». Кроме того, слова, обозначающие приближение, такие как «примерно», «почти», «по существу», «приблизительно» и т.п., могут использоваться здесь, например, в смысле «точно, около или почти точно», или «в пределах 3-5%, или «в пределах приемлемых производственных допусков», или в любой логической комбинации перечисленного.
[0021] Аспекты настоящего раскрытия относятся к структурам, обладающим множеством структурных элементов, таких как, но этим не ограничиваясь, вогнутым и/или выпуклым структурам или к «ямкам», организованным в рисунки, которые в совокупности обеспечивают локальный и/или глобальный отрицательный коэффициент Пуассона (NPR), или ауксетическое поведение.
[0022] В отличие от NPR-структуры, раскрытой, например, в документах WO2014/151045 А1 и заявке на патент США 2011/0059291 А1, полностью включенных в настоящий документ путем ссылки, у NPR-структур, раскрытых здесь, нет никакой пористости.
[0023] На фиг. 1(а)-1(b) представлены изометрическая проекция и вид сбоку соответственно: (а) структуры 10 (например, листовой материал и т.д.), в которой согласно некоторой схеме расположения имеется множество структурных элементов 20 (например, ямок) выступающих из плоскости материала в одном направлении; и (b) структуры 10, в которой имеется первое множество структурных элементов 20, выступающих из плоскости материала в первом направлении (например, нормально к плоскости листа и т.д.), и второе множество структурных элементов 20', выступающих из плоскости материала во втором направлении (например, нормально к плоскости листа в направлении, противоположном первому направлению, и т.д.).
[0024] В различных аспектах структура содержит металл, алюминий, сталь, и/или сплав, подходящий для конкретного приложения. Например, в некоторых высокотемпературных приложениях, подходящий материал может включать, но этим не ограничен, «суперсплав» (например, Inconel (например. IN100, IN600, IN713), Waspaloy, сплавы Rene (например, Rene 41, Rene 80, Rene 95, Rene H5), сплавы Haynes, Incoloy, MP98T, TMS или монокристаллические сплавы CMSX (например. CMSX-4)).
[0025] Структурный элемент 20 или комбинация (комбинации) различных структурных элементов (например, 20, 20') трансформируют основную структуру 10 из имеющей положительный коэффициент Пуассона (PPR) в имеющую отрицательный коэффициент Пуассона (NPR) при напряжениях, действующих вдоль одного или большего количества осей, таких как, но этим не ограничиваясь, растягивающая сила F, показанная на фиг. 1(a) или фиг. 1(d).
[0026] Как показано в фиг. 1(b), первые структурные элементы 20 и вторые структурные элементы 20' чередуются. Однако это данное в качестве примера расположение не является ограничением, и настоящие концепции определенно включают любое мозаичное расположение одного или более структурных элементов, раскрытых здесь, которые обеспечивают отрицательный коэффициент Пуассона (NPR). Например, дополнительные неограничивающие схемы мозаичного расположения для слоев, имеющих множество структурных элементов, показаны на фиг. 2(а)-2(h).
[0027] На фиг. 1(c) показано другое представление слоя согласно фиг. 1(b), при этом слой содержит первые структурные элементы 20 (показанные белыми кружками), выступающие или идущие вне плоскости структуры 10 в первом направлении (например, нормально к плоскости слоя, и т.д.) и вторые структурные элементы 20' (показанные заштрихованными кружками) выступающие или идущие вне плоскости материала во втором направлении (например, нормально к плоскости слоя в направлении навстречу первому направлению и т.д.).
[0028] Соглашение о белых кружках и заштрихованных кружках будет далее использовано на фиг. 1(d) и 2(а)-2(h) для визуального представления структурных элементов 20, 20', соответственно выступающих из плоскости структуры 10 в различных направлениях (например, в противоположных направлениях). Например, белые кружки представляют, в конкретной прикладной модели, выпуклые структуры, тогда как заштрихованные кружки представляют, в рамках той же предпочтительной модели, вогнутые структуры.
[0029] На фиг. 1(d) показан пример структуры 10, имеющей цилиндрическую форму и содержащую множество структурных элементов 20 (например, углублений), выступающих из плоскости слоя в одном и том же направлении (внутрь к центральной оси «А» цилиндра в показанном примере). Благодаря этим структурным элементам в показанной конфигурации, структура 10 обладает отрицательным коэффициентом Пуассона (NPR), а не положительным коэффициентом Пуассона (PPR).
[0030] По меньшей мере в некоторых аспектах структурные элементы 20, 20' на фиг. 1(а)-1(d) включают сферические сегменты. В контексте данного документа термин «сферический сегмент» относится к одному из сегментов, получающихся в результате разрезания сферы вдоль заданной плоскости. В примерах, показанных на фиг. 1(а)-1(d), структурные элементы сферического сегмента 20, 20' показаны с произвольно выбранными сечениями, глубиной и поперечным относительно плоскости профилем только для иллюстрации, и эти параметры могут отличаться в соответствии с различными аспектами настоящего изобретения. Более конкретно, хотя в показанных примерах демонстрируется однородность структурных элементов 20 и 20' (то есть, во всех примерах показаны структурные элементы в виде сферических сегментов), настоящие концепции явно включают использование различных структурных элементов (например, сферических, сфероидальных или эллипсоидальных сегментов) с одной стороны или с обеих сторон структуры 10. Структурные элементы могут содержать, например, полностью эллиптические структурные элементы, комбинацию различных структурных элементов, такую как комбинации из структурных элементов со сферическим сегментом и эллиптических структурных элементов. Для любого из этих структурных элементов, структурный элемент может меняться, помимо прочего, по глубине, размеру и крутизне наклонной поверхности.
[0031] Однако структурные элементы 20, 20' могут быть выполнены в различных формах, включая треугольную, квадратную, ромбоидальную и гексагональную решетки. Во всех случаях структурные элементы 20, 20' могут выступать с одной стороны или с обеих сторон материала, который может содержать плоский лист или искривленный или криволинейный материал. Некоторое неограничивающее расположение структурных элементов 20, 20' показано на фиг. 2(а)-2(h). Однако следует отметить, что не все эти мозаичные рисунки обязательно приводят к глобальному отрицательному коэффициенту Пуассона. Некоторые мозаичные рисунки предпочтительны для создания конкретных моделей сжатия или расширения в области смещения структуры. Как в вышеуказанных случаях, такие структурные элементы (например, углубления и т.д.) не ограничены сферическими сегментами, но могут сильно меняться, помимо прочего, по глубине, размеру и крутизне наклонной поверхности.
[0032] Как отмечено выше в связи с описанием фиг. 1(a), один аспект настоящих концепций включает квадратную решетку из одинаковых структурных элементов 20 выступающих из плоскости структуры 10 в одном и том же направлении. Структура на фиг. 1(a) демонстрирует ауксетическое поведение в цилиндрических структурах, например, показанных на фиг. 1(d) при нагрузке, показанной осевой силой F. С другой стороны, структура на фиг. 1(b) и 1(c), демонстрирует отрицательный коэффициент Пуассона (NPR) в плоских структурах при одноосной нагрузке.
SE
S
SE
S
[0033] Хотя в соответствии с настоящими концепциями сечение, глубина и/или поперечные относительно плоскости профили могут значительно меняться, не все возможные комбинации приводят к NPR. Свойства NPR наблюдались в тонких ячеистых структурах, где толщина материала была приблизительно в 10 раз меньше, чем другие размеры. При моделировании, выполненном изобретателями, было замечено, что NPR исчезает, если радиус поперечного сечения структурного элемента (например, сферического сегмента) меньше десятикратной толщины пластины. Дополнительно было определено, что площадь поперечного сечения структурных элементов должна покрывать большую площадь поверхности материала (например, в общем случае, больше, чем приблизительно 50%). Псевдопористость структурных элементов можно определить, как отношение между площадью (A) поперечного сечения комбинированного структурного элемента и площадью (A) всей структуры (то есть, Псевдопористость=A/A). В локальной области (например, в элементарной ячейке) псевдопористость можно рассматривать как отношение между площадью одного из структурных элементов (например, белого кружка, показанного на фиг. 1(c)), и площадью воображаемого геометрического элемента (например, квадрата) окружающего его, например, как показано квадратом 25, ограниченным штриховой линией, на фиг. 1(c). Для сферического структурного элемента, чтобы обеспечить NPR, псевдопористость структуры желательно иметь приблизительно 50% или больше. Наконец, следует заметить, что глубина структурного элемента (элементов) также может влиять на проявление NPR. Например, в сферических структурных элементах оптимальное значение для глубины структурного элемента составляет приблизительно половину радиуса структурного элемента.
[0034] Как отмечено выше, структурные элементы могут принимать множество форм (включая множество форм для данного материала или субчасти материала) и могут быть оптимизированы для придания желаемых механических свойств материалу или его субчасти. В дополнение к вышеупомянутым геометрическим формам, таким как сферические и сфероидальные сегменты, для создания профиля структурного элемента может использоваться много различных функций. Например, структурный элемент можно создавать с использованием следующей функции:
где:
а
[0035] Этот структурный элемент затем может быть многократно повторен на плоскости для достижения желаемой конфигурации структурных элементов. Альтернативно, для достижения желаемой конфигурации структурных элементов этот структурный элемент может повторяться и поочередно инвертироваться на плоскости. На функции, представленной выше,  и b задают размер эллипсоида в плоскости f(x, у)=0, δ показывает максимальную глубину структурного элемента (например, ямок), а α и β изменяют поперечную кривизну. NPR-структуры могут принимать форму любого материала, определяемого структурными элементами, имеющими форму, подобную той, которая может быть создана с использованием вышеуказанной функции.
[0036] Главное преимущество предложенных структур заключается в отсутствии у них пористости и низких значениях напряжений, демонстрируемых при нагрузке управляемого смещения. Поскольку раскрытые NPR-материалы с нулевой пористостью являются непористыми и не позволяют проходить никаким жидкостям, они представляют собой превосходных кандидатов для использования в любой структуре, в которой пористость была бы невыгодна, например, но этим не ограничиваясь, в компонентах турбин, теплообменниках, трубопроводах, опорах, фюзеляжах, компонентах автомобилей и других транспортных средств или любой другой структуре или компоненте, подвергаемом механической и/или тепловой нагрузке.
[0037] Кроме того, мозаичные схемы расположения могут быть различны вдоль конкретного материала или структуры, чтобы обеспечить заданное локализованное ауксетическое поведение и обеспечить оптимизацию для более сложных приложений, где требуется различное поведение в различных разделах структуры. Например, некоторый структурный элемент (например, компонент камеры сгорания газовой турбины, оболочка камеры сгорания и т.д.) может содержать первую часть материала, имеющую первое мозаичное расположение для первого множества структурных элементов, содержащего один или большее количество разных типов структурных элементов (например, по расположению, форме, плотности/удельному весу, глубине и т.д.), вторую часть материала, имеющую второе мозаичное расположение, содержащее один или большее количество разных типов структурных элементов, третью часть материала, имеющую третье мозаичное расположение, содержащее один или большее количество разных типов структурных элементов, и так до n-ой части материала, имеющей n-ное мозаичное расположение, содержащее один или большее количество разных типов структурных элементов.
[0038] Раскрытые структуры демонстрируют очень низкие значения напряжения при управляемом смещении и относительно высокую структурную жесткость, что делают их очень хорошими кандидатами на использование в условиях управляемой нагрузки и управляемого смещения.
[0039] Что качается процесса выбора специфических структурных элементов, мозаичного расположения и форм, такой процесс в значительной степени определяется внешними конструкторскими требованиями. Следующие общие концепции не предполагают ограничения изобретения, а даны для пояснения некоторых аспектов процесса проектирования. Некоторые начальные соображения включают, в общем случае, ограничение на поперечные размеры структурных элементов относительно плоскости (например, глубину или высоту) и толщину материала (например, металлического листа и т.д.), а тип формы структурного элемента (например, сферический, эллипсоидальный или другой формы) определяется (1) заданным отрицательным коэффициентом Пуассона и (2) максимальным допустимым напряжением для приложения. Если требуются очень низкие отрицательные коэффициенты Пуассона, эллипсоидальные структурные элементы предпочтительнее сферических. Далее, локальная форма структуры (например, цилиндрическая, плоская, искривленная и т.д.) влияет на направление (направления), в котором структурные элементы выходят из плоскости материала в этом месте, и/или на мозаичный рисунок. Если максимальное напряжение - важный фактор разработки структуры, предпочтительны сферические углубления. Ввиду вышеизложенных соображений, размер (размеры) микроструктуры структурных элементов, как и расстояние между ними, определяют для достижения необходимого локального и глобального значений коэффициента Пуассона. Конечно, порядок операций может быть свободно изменен в соответствии с настоящими концепциями в зависимости от доступной информации о конструкции и от технических ограничений. Чисто для иллюстративных целей настоящие концепции даже включают способы оптимизации методом проб и ошибок, в которых многократно применено множество мозаичных схем расположения, форм структурных элементов и ориентаций структурных элементов для конкретной структуры, чтобы определить оптимальную комбинацию признаков структурных элементов и расположение для достижения желаемой локальной и/или глобальной NPR-характеристики.
[0040] Хотя настоящие концепции раскрыты на примерах множества рисунков или мозаичных расположений, настоящие концепции не ограничены использованием какого-либо рисунка или мозаичного расположения. Например, настоящие концепции могут даже использовать локальное или глобальное рандомизированное распределение согласно локальным или глобальным требованиям (допускаемое напряжение, нагрузка, отрицательная нагрузка, пиковое напряжение и т.д.) для достижения желаемого глобально-локального или глобального отрицательного коэффициента Пуассона. Таким образом, на данной площади материала структурные элементы могут быть расположены согласно асимметричной схеме расположения и могут приводить к желаемому глобально-локальному отрицательному коэффициенту Пуассона.
[0041] Все и каждое изменения, модификации и вариации, очевидные из предыдущего описаний, находятся в объеме и соответствуют сути изобретения, определенного пунктами формулы изобретения. Кроме того, настоящие концепции включают все и каждую из комбинаций и субкомбинаций предыдущих элементов и аспектов.