ГИБРИДНАЯ АУКСЕТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ТИПА "ЯМКИ И ПОРЫ" С КОНФИГУРАЦИЕЙ, РАЗРАБОТАННОЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОГО ПОВЕДЕНИЯ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПУАССОНА
HYBRID AUXETIC STRUCTURE OF "PITS AND PORES" TYPE WITH CONFIGURATION DESIGNED TO PROVIDE GIVEN BEHAVIOR WITH NEGATIVE POISSON COEFFICIENT

Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] Данная заявка испрашивает право приоритета по предварительной заявке на патент США №62/118823, зарегистрированной 20 февраля 2015 г., и по предварительной заявке на патент США 62/101834, зарегистрированной 9 января 2015 г., обе они полностью включены в текст данного документа посредством ссылок.
Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Данное изобретение относится, в целом, к пористым материалам и ячеистым твердым телам с заданными изотропными и анизотропными коэффициентами Пуассона. Более конкретно, аспекты данного изобретения касаются ауксетических структур с разработанными схемами расположения, которые демонстрируют поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона (Negative Poisson's Ratio, NPR), а также систем, способов и устройств, использующих такие структуры.
Предпосылки создания изобретения
[0003] Когда материалы сжимают по определенной оси, обычно наблюдается, что они расширяются в направлениях, перпендикулярных прикладываемой осевой нагрузке. Наоборот, большинство материалов сжимается по определенной оси, когда растягивающее усилие прикладывается по оси, перпендикулярной оси сжатия. Свойство материала, которое характеризует это поведение, известно как коэффициент Пуассона, который может быть определен как взятое с обратным знаком отношение поперечной деформации к осевой/продольной деформации в условиях осевой нагрузки. Большинство материалов характеризуется положительным коэффициентом Пуассона, который составляет приблизительно 0,5 для резины, приблизительно 0,3 для алюминия, латуни и стали, и приблизительно 0,2 для стекла.
[0004] Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона (NPR), с другой стороны, сжимаются в поперечном направлении, когда сжимаются в осевом направлении, и расширяются в поперечном направлении, когда растягиваются в осевом направлении. Материалы, которые показывают поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона, упоминаются часто как "ауксетические" материалы. Результаты многих исследований свидетельствуют о том, что ауксетическое поведение включает взаимодействие между микроструктурой материала и его деформацией. Например, металлы с кубической решеткой, естественные слоистые керамики, сегнетоэлектрические поликристаллические керамики и цеолиты могут обеспечивать поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона. Кроме того, было предложено несколько конфигураций и механизмов для достижения отрицательных значений коэффициента Пуассона, включая пенопласты со структурами с углублениями внутрь, ламинаты с иерархической структурой, полимерные и металлические пенопласты. Эффекты отрицательного коэффициента Пуассона демонстрировались также в масштабе микрометров с использованием материалов со сложной структурой, которые были изготовлены с использованием легкой литографии, и в наномасштабе с многослойными листами углеродных нанотрубок.
[0005] Существенная сложная проблема в производстве ауксетических материалов состоит в том, что они обычно включают встроенные структуры с фигурными конфигурациями в основной матрице. Также процесс изготовления был критическим звеном в практическом развитии их применений. Структура, которая формирует основу многих ауксетических материалов - это структура ячеистого твердого тела. Исследование деформации этих материалов является относительно зрелой областью с основным акцентом на роли явления изгиба, способности выдерживать нагрузку и поглощения энергии при сжимающей нагрузке. Совсем недавно результаты объединенного экспериментального и численного исследования продемонстрировали, что механические нестабильности в двумерных периодических пористых структурах могут вызвать очень сильные трансформации первоначальной конфигурации. В частности, найдено, что одноосная нагрузка квадратной решетки круглых отверстий в эластомерной матрице приводит к рисунку чередующихся взаимно ортогональных эллипсов, когда матрица находится под нагрузкой. Это следует из потери устойчивости при упругих деформациях выше критической величины прикладываемой нагрузки. Перестройка геометрии, наблюдаемая при неустойчивости, является обратимой и воспроизводимой, и она происходит в узком диапазоне прикладываемой нагрузки. Кроме того, показано, что трансформация рисунка приводит к однонаправленному поведению отрицательного коэффициента Пуассона для двумерной структуры, то есть это происходит только при сжатии.
[0006] В патенте США №5233828 ("патенте '828") показан пример разработанной пористой структуры - облицовки камеры сгорания или "теплового экрана" - используемой в высокотемпературных применениях. Облицовки (пламенные трубы) камеры сгорания вообще используются в блоке камеры сгорания газовой турбины. Облицовки камеры сгорания могут использоваться также в выпускной секции или в других секциях или компонентах газовой турбины, таких как лопатки турбины. Во время работы камеры сгорания сжигают газ при очень высоких температурах до 1649°С и выше. Чтобы воспрепятствовать разрушению камеры сгорания этой интенсивной теплотой прежде, чем она выходит в турбину, облицовка камеры сгорания предусматривается во внутренней области камеры сгорания, чтобы изолировать окружающий двигатель. Чтобы минимизировать перепады температуры и давления в облицовках камеры сгорания, традиционно предусматривались средства охлаждения, такие как показанные в патенте '828, в форме разнесенных отверстий охлаждения, расположенных в виде непрерывного рисунка. Как другой пример, в патенте США №8066482 В2 представлен разработанный структурный элемент, имеющий эллиптические отверстия охлаждения, чтобы улучшить охлаждение необходимой области газовой турбины при сокращении уровней напряжения в отверстиях охлаждения и вокруг них. В европейском патентном документе №ЕР 0971172 А1 аналогично этому показан другой пример перфорированной облицовки, используемой в зоне горения газовой турбины. Ни один из вышеупомянутых патентных документов, однако, не представляет примеры, описываемые как демонстрирующие ауксетическое поведение или разработанные для обеспечения эффектов NPR.
[0007] В заявке на патент США №2010/0009120 А1 раскрываются различные поддающиеся трансформации периодические структуры, включающие эластомерные или упругопластические периодические твердые тела, которые испытывают трансформацию в структурной конфигурации при приложении критического макроскопического напряжения или деформации. Упомянутая трансформация изменяет геометрический рисунок, изменяя интервал и форму элементов в поддающейся трансформации периодической структуре. После снятия критического макроскопического напряжения или деформации, эти эластомерные периодические твердые тела восстанавливают свою первоначальную форму. Для сравнения, в заявке на патент США №2011/0059291 А1 раскрываются структурированные пористые материалы, в которых пористая структура обеспечивает заданное поведение коэффициента Пуассона. Эти пористые структуры состоят из геометрического рисунка эллиптических или приблизительно эллиптических пор в эластомерном листе, который приспособлен, посредством механики деформации пор и механики деформации материала, обеспечивать отрицательный или нулевой коэффициент Пуассона. Все вышеупомянутые патентные документы включены в текст данного документа посредством ссылок во всей своей полноте во всех отношениях.
Сущность изобретения
[0008] Аспекты данного изобретения относятся к гибридным ауксетическим структурам типа "ямки и поры" с конфигурациями, разработанными для обеспечения поведения с заданным отрицательным коэффициентом Пуассона (NPR). Для примера, лист твердого, но упругого материала изготавливается с тщательно сконструированными порами, такими как эллиптические, имеющие форму гантели, или S-образные прорези, и тщательно сконструированными выступами или углублениями. Эти поры и выступы расположены в виде рисунка, который разработан так, чтобы уменьшить напряжение в условиях нагружения за счет смещения в плоскости листа. Уменьшение напряжения достигается, например, посредством поворота ячейки, и в результате придает листу поведение с NPR. Формы пор могут быть оптимизированы для минимального напряжения с помощью изменения различных топологических параметров. Так как много параметров формы воздействуют также на пористость всей структуры, любая оптимизированная для напряжения схема расположения пор и выступов будет иметь связанную с ней фиксированную пористость.
[0009] Часто такие ауксетические структуры, когда они оптимизированы для минимальных напряжений в условиях нагрузки смещения, могут иметь тенденцию к пористостям, которые выше, чем типичные целевые параметры, например, для компонентов камеры сгорания в газовых турбинах. Эти целевые параметры находятся в основном между 0,3-5,0%, с некоторыми случаями, достигающими 9,0%, и могут быть критическими для достижения заданных значений выброса загрязняющих веществ турбины. Если пористость в этом диапазоне налагается на ауксетическую структуру при применении подходящего ограничения в процессе оптимизации, то уменьшение напряжения достигается добавлением непористых ауксетических элементов (например, ямок), используемых совместно с ауксетическими элементами в виде структурированных пор (например, прорезями), чтобы формировать гибридный ауксетик. Эта гибридная структура может достигать определенных значений пористости, которые намного ниже, чем достигнутые ауксетическими структурами, использующими только поры, чтобы обеспечивать соразмерное поведение коэффициента Пуассона (Poisson's Ratio, PR), в то время как продолжает обеспечивать уменьшение напряжения по сравнению с существующей технологией. Один пример гибридной ауксетической структуры использует комбинацию эллиптических ямок и S-образных прорезей с одинаковыми аспектными отношениями, скомпонованными в квадратную схему расположения.
[0010] Согласно некоторым аспектам данного изобретения раскрываются различные ауксетические структуры. В примере ауксетическая структура включает упругое твердое тело, такое как металлический лист или другой достаточно упругий твердый материал, с множеством отверстий, проходящих сквозь упругое твердое тело, и множеством выступов, выступающих из упругого твердого тела. Отверстия располагаются в виде первой матрицы рядов и столбцов, в то время как выступы располагаются в виде второй матрицы рядов и столбцов. Отверстия сконфигурированы совместно с множеством выступов так, чтобы обеспечить заданную пористость при обеспечении уменьшения напряжения посредством поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона (NPR) в условиях макроскопического плоского нагружения, например, посредством поворота ячеек, и характеристики уменьшения напряжения таких структур с NPR. Для некоторых конфигураций выступы, которые являются эллиптическими или полусферическими ямками, помещены в квадратные или гексагональные схемы расположения с отверстиями, которые являются S-образными прорезями или отверстиями круглого сечения.
[0011] В соответствии с другими аспектами данного изобретения раскрываются низкопористые ауксетические листовые структуры. В примере представлена низкопористая ауксетическая листовая структура, которая включает металлический лист с множеством пор, проходящих сквозь металлический лист, и множество ямок, выступающих из металлического листа. Поры, которые имеют первый набор геометрических характеристик, таких как ширина, радиус, аспектное отношение и/или кривизна, располагаются в первой схеме расположения. Ямки, которые имеют второе множество геометрических характеристик, таких как аспектное отношение и/или глубина, располагаются во второй схеме расположения. Геометрические характеристики и схема расположения пор сконфигурированы совместно с геометрическими характеристиками и схемой расположения ямок так, чтобы обеспечить заданную пористость при обеспечении уменьшения напряжения посредством поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона (NPR) в условиях макроскопического плоского нагружения.
[0012] Другие аспекты данного изобретения относятся к способам изготовления и способам использования ауксетических структур. В примере представлен способ изготовления ауксетической структуры. Согласно упомянутому способу: предоставляют упругое твердое тело; добавляют к упругому твердому телу множество отверстий, проходящих сквозь упругое твердое тело, причем множество отверстий расположено в виде первой матрицы рядов и столбцов; и добавляют к упругому твердому телу множество выступов, выступающих из упругого твердого тела, причем множество выступов расположено в виде второй матрицы рядов и столбцов, множество отверстий сконфигурировано совместно с множеством выступов так, чтобы обеспечить заданную пористость при обеспечении уменьшения напряжения посредством поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона (NPR) в условиях макроскопического плоского нагружения. Упругое твердое тело может принимать различные формы, такие как металлический лист или другой достаточно упругий твердый материал. Для некоторых конфигураций выступы, которые являются эллиптическими или полусферическими ямками, располагаются в виде квадратных или гексагональных схем расположения, с отверстиями, которые являются S-образными прорезями или отверстиями круглого сечения.
[0013] Согласно другим аспектам данного изобретения представлен способ изготовления ауксетической структуры. Способ включает: получение конструктивных параметров для заданных требований к конструкции ауксетической структуры; определение из полученных конструктивных параметров требуемой пористости и/или жесткости компонента для ауксетической структуры; определение значений максимального допустимого напряжения для ауксетической структуры; определение параметра конструкции прорези для множества прорезей ауксетической структуры на основании, по меньшей мере, частично, значений максимально допустимого напряжения и требуемой пористости/жесткости компонента; определение параметра конструкции ямки для множества ямок ауксетической структуры на основании, по меньшей мере, частично, значений максимально допустимого напряжения и требуемой пористости/жесткости компонента; определение компоновки единичной ячейки для прорезей и ямок на основании, по меньшей мере, частично, значений максимально допустимого напряжения и требуемой пористости/жесткости компонента; и добавление к упругому твердому телу множества прорезей и ямок в соответствии с определяемым параметром конструкции прорези, определяемым параметром конструкции ямки и определяемой компоновкой единичной ячейки.
[0014] Изложенное выше в разделе "Сущность изобретения" не предназначено для представления каждой формы осуществления или каждого аспекта данного изобретения. Напротив, вышеприведенная сущность изобретения представляет просто пояснение на примерах некоторых из новых аспектов и признаков, излагаемых ниже. Вышеупомянутые отличительные признаки и преимущества, а также другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения будут с очевидностью явствовать из следующего подробного описания типичных форм осуществления и способов выполнения данного изобретения, вместе с прилагаемыми чертежами и формулой изобретения.
Краткое описание чертежей
[0015] На фиг. 1 показан график зависимости номинальной деформации от коэффициента Пуассона, иллюстрирующий поведение коэффициента Пуассона типичных структур с продолговатыми сквозными отверстиями согласно аспектам данного изобретения.
[0016] Фиг. 2А-2С представляют собой иллюстрации типичных структур, показанных на фиг. 1, которые соответствуют определенным точкам на графике.
[0017] Фиг. 3 и 4 представляют собой иллюстрации вида в плане типичных гибридных ауксетических структур типа "ямки и поры", использующих эллиптические выступы и S-образные прорези в соответствии с аспектами данного изобретения.
[0018] Фиг. 5-7 представляют собой иллюстрации вида в плане типичных гибридных ауксетических структур типа "ямки и поры", использующих полусферические выступы и S-образные прорези в соответствии с аспектами данного изобретения.
[0019] Фиг. 8 и 9 представляют собой иллюстрации вида в плане типичных гибридных ауксетических структур типа "ямки и поры", использующих полусферические выступы и прорези в виде отверстий круглого сечения в соответствии с аспектами данного изобретения.
[0020] Фиг. 10 представляет собой блок-схему, изображающую алгоритм или схему последовательности действий для изготовления ауксетических структур в соответствии с аспектами раскрытых концепций.
[0021] Данное изобретение способно к различным модификациям и альтернативным формам, и некоторые типичные формы осуществления изобретения показаны в качестве примера на чертежах и будут далее подробно описаны. Однако следует понимать, что аспекты изобретения не ограничены конкретными формами, показанными на чертежах. Напротив, изобретение должно охватывать все модификации, эквиваленты, комбинации и варианты, находящиеся в пределах сущности и объема изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.
Подробное описание показанных форм осуществления изобретения
[0022] Данное изобретение пригодно для осуществления во многих различных формах. Показаны на чертежах и будут описаны подробно типичные формы осуществления изобретения, при этом данное описание следует рассматривать как пояснение на примере принципов данного изобретения и оно не предназначено для ограничения широких аспектов изобретения проиллюстрированными формами осуществления. В той мере, в какой элементы и ограничения раскрыты, например, в разделах реферата изобретения, сущности изобретения и подробного описания, но не сформулированы явно в формуле изобретения, они не должны включаться в формулу изобретения, отдельно или все вместе, подразумеваемым образом, косвенно или иным образом. Для целей данного подробного описания, если специально не отвергается и логически допускается, единственное число включает множественное число, и наоборот, и термины "включающий", "содержащий" и "имеющий" являются неограничивающими. Кроме того, слова приближения, такие как "около", "почти", "по существу", "приблизительно" и т.п., могут использоваться здесь, например, в смысле "около, в окрестности или почти что", или "в пределах 3-5%", или "в пределах приемлемых технологических допусков", или их любой логической комбинации.
[0023] Аспекты данного изобретения относятся к гибридным ауксетическим структурам типа "ямки и поры", содержащим повторяющиеся схемы расположения отверстий и выступов, которые обеспечивают поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона (NPR) при макроскопическом нагружении. Коэффициент Пуассона вообще выражается как отношение деформации поперечного сжатия к деформации продольного растяжения в деформируемом объекте. Коэффициент Пуассона является обычно положительным для большинства материалов, включая большинство сплавов, полимеров, пенополимеров и твердые тела с ячеистой структурой, которые становятся более тонкими в поперечном сечении при растяжении. Ауксетические структуры, раскрытые здесь, показывают поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона.
[0024] Согласно аспектам раскрываемых концепций, когда ауксетическую структуру сжимают по одной оси (например, в направлении Y), коаксиальная деформация приводит к моменту относительно центра каждой ячейки вследствие того, как располагаются соседние отверстия. Это, в свою очередь, заставляет ячейки поворачиваться. Каждая ячейка поворачивается в направлении, противоположном направлению поворота ее непосредственных соседей. Этот поворот приводит к уменьшению расстояния вдоль поперечной оси (направлению по оси X) между соседними по горизонтали ячейками. Другими словами, сжатие структуры в направлении Y заставляет ее сжиматься в направлении X. Наоборот, растяжение в направлении Y приводит к расширению в направлении X. В масштабе всей структуры это имитирует поведение ауксетического материала. Но многие из структур, раскрываемых здесь, составлены из обычных материалов. Таким образом, сам исходный материал может иметь положительный коэффициент Пуассона, но с помощью модификации структуры введением рисунков из отверстий и выступов, раскрываемых здесь, структура ведет себя, локально и/или глобально, как имеющая отрицательный коэффициент Пуассона.
[0025] На фиг. 1 показан график зависимости коэффициента Пуассона (PR) от номинальной деформации, иллюстрирующий поведение коэффициента Пуассона трех типичных пористых структур, показанных на фиг. 2А-2С. График на фиг. 1 показывает коэффициент Пуассона каждого образца для испытания под нагрузкой. На некотором уровне деформации "мгновенный" PR может быть определен и нанесен на график в зависимости от параметра (например, номинальной деформации), представляющего уровень деформации. Когда конструктор имеет необходимый NPR для предполагаемого применения, может быть определен уровень деформации, соответствующий этому PR, и определены геометрические параметры отверстий при этом условии. Этот рисунок формы отверстия может затем быть получен обработкой на станке (изготовлен) на ненапряженной детали, чтобы получить компонент с необходимым PR.
[0026] Как видно на фиг. 2В и 2С, схемы расположения отверстий с NPR могут состоять из горизонтально и вертикально ориентированных продолговатых отверстий (называемых также "поры" или "прорези"), которые показаны как эллиптические прорези. Эти продолговатые отверстия располагаются на горизонтальных и вертикальных линиях (например, в рядах и столбцах квадратной матрицы на фиг. 2В) таким образом, что вертикальные линии и горизонтальные линии распределены с равными интервалами в обоих измерениях (при этом Δх=Δy). Центр каждой прорези находится в точке пересечения двух линий. Горизонтально ориентированные и вертикально ориентированные прорези чередуются на вертикальных и горизонтальных линиях так, что любая вертикально ориентированная прорезь окружена горизонтально ориентированными прорезями (и, наоборот), в то время как соседние вертикально ориентированные прорези находятся на обеих диагоналях. Эти поры могут действовать также как отверстия охлаждения и/или демпфирования и, вследствие их расположения, также как элементы уменьшения напряжения. Как рассмотрено здесь, одна или несколько прорезей, показанных на фиг. 2В и 2С, могут быть заменены ямками аналогичной формы (упоминаемыми здесь также как "выступы").
[0027] Раскрывается также камера сгорания газовой турбины, которая выполнена со стенками из материала с любой из конкретных конфигураций ауксетических структур, раскрытых здесь. В некоторых формах осуществления изобретения формы отверстий и выступов создаются непосредственно в металлическом теле в состоянии без внутренних напряжений так, что отверстия являются эквивалентными по форме сжатым порам в резине под внешней нагрузкой, чтобы получить поведение с NPR в металлическом теле без сжатия металлической структуры при изготовлении. Различные технологические маршруты могут использоваться, чтобы воспроизводить схемы расположения пор в металлическом компоненте. Изготовление не обязательно включает образование изгибов как одну из технологических операций. Ауксетические структуры, раскрытые здесь, не ограничены стенкой камеры сгорания; напротив эти детали могут быть встроены в другие секции турбины (например, направляющие и рабочие лопатки, и т.п.).
[0028] В обычной стенке камеры сгорания отверстия, используемые для потока охлаждающего воздуха и демпфирования, действуют также как концентраторы напряжения. В некоторых из раскрытых форм осуществления изобретения, когда материал стенки в горячей точке прижимается к окружающему его материалу, например, в вертикальном направлении, отрицательный коэффициент Пуассона сделает материал стенки сжатым в горизонтальном направлении, и наоборот. Это поведение значительно уменьшит напряжения в горячей точке. Этот эффект более сильный, чем только воздействие уменьшенной жесткости. Напряжение в горячей точке получается уменьшенным, например, на 50%, что, в свою очередь, приводит к увеличению срока службы при усталостном напряжении на несколько порядков величины. Уменьшение напряжения при поведении с NPR не увеличивает расход воздуха стенкой камеры сгорания. Более длительный срок службы может использоваться сам по себе, или же материал стенки может быть заменен более дешевым, чтобы уменьшить стоимость исходного материала.
[0029] Также было продемонстрировано, что замена круглых охлаждающих отверстий камеры сгорания 2-3% долей продолговатых/эллиптических воздушных каналов уменьшает термомеханическое напряжение по меньшей мере в пять раз при сохранении характеристики демпфирования. Например, предполагается, что эллиптические отверстия охлаждения в камере сгорания приведут к пятикратному уменьшению в наихудшем главном напряжении. Введение поведения с NPR, таким образом, добавляет дополнительные функциональные возможности отверстиям охлаждения камеры сгорания в том, что поведение с NPR создает пятикратное уменьшение наихудшего главного напряжения по сравнению с традиционными отверстиями охлаждения. В усталости от напряжений суперсплава, специально предназначенного для камеры сгорания, уменьшение в два раза напряжения компонента увеличивает усталостную долговечность более чем на порядок величины. В некоторых формах осуществления изобретения суперсплав может быть суперсплавом на основе никеля, таким как инконель (например, IN100, IN600, IN713), Waspaloy, сплавы Rene (например, Rene 41, Rene 80, Rene 95, Rene N5), сплавы Haynes, Incoloy, MP98T, TMS и монокристаллические сплавы CMSX (например, CMSX-4).
А
S
A
S
[0030] Показано, что оптимизированная пористость обеспечивает улучшение функции охлаждения. Используемый здесь термин "пористость" может быть определен как площадь поверхности отверстий А, деленная на площадь поверхности структуры A, или пористость = A/A. В некоторых формах осуществления изобретения может быть необходимо, чтобы пористость данной пористой структуры была приблизительно 0,3-9% или в некоторых формах осуществления изобретения приблизительно 1-4%, или в некоторых формах осуществления изобретения приблизительно 2%. Для сравнения, многие конструкции известного уровня техники требуют пористости 40-50%.
[0031] Может быть задано оптимальное аспектное отношение для продолговатых отверстий, чтобы получить необходимое поведение с NPR. Используемый здесь термин "аспектное отношение" отверстий может быть определен как означающий длину, деленную на ширину отверстий, или длину большой оси, деленную на длину малой оси отверстий. В некоторых формах осуществления изобретения может быть необходимо, чтобы аспектное отношение отверстий было приблизительно 5-40 или в некоторых формах осуществления изобретения приблизительно 20-30. Оптимальный NPR может быть, например, -0,5. Аспекты раскрытых концепций могут демонстрироваться на структурных рисунках, созданных в миллиметровом масштабе длин, и одинаково применимы к структурам, обладающим теми же самыми периодическими схемами расположения в меньшем масштабе длин (например, микрометровом, субмикрометровом и нанометровом масштабах длин) или больших масштабах длин до тех пор, пока единичные ячейки вписываются в структуру.
[0032] Обратимся далее к фиг. 3-9, где в соответствии с данным изобретением показаны различные примеры гибридных ауксетических структур типа "ямки и поры", которые демонстрируют поведение с NPR. На фиг. 3, например, показана гибридная ауксетическая структура типа "ямки и поры", обозначенная в общем как 300, которая использует чередующуюся схему расположения продолговатых симметричных выступов и чередующуюся схему расположения продолговатых асимметричных прорезей. Вышеупомянутые выступы и прорези являются продолговатыми в том смысле, что все имеют большую ось (например, длину), которая больше, чем малая ось (например, ширина) и перпендикулярна к ней. Как показано, ауксетическая структура 300 содержит упругое твердое тело 310, которое может быть в виде металлического листа или другого твердого тела с достаточной упругостью, чтобы возвращаться по существу или полностью к своей первоначальной форме, как только условия макроскопической нагрузки уменьшаются или устраняются. В упругом твердом теле 310 выполнено множество S-образных прорезей (или "отверстий"), все вместе обозначенные как 312, которые проходят сквозь упругое твердое тело 310. Продолговатые отверстия представлены в упругом твердом теле 310, когда оно находится в состоянии без внутренних напряжений. Кроме того, множество эллиптических выступов (или "ямок"), все вместе обозначенные как 314, выступают из поверхности упругого твердого тела 310. В то время как показанное включает только приподнятые выступы, ауксетическая структура 300 может быть изготовлена с одним или более приподнятыми выступами и одним или более углубленными выступами.
[0033] S-образные прорези 312 располагаются в виде рядов и столбцов (например, в первой решетке или матрице); аналогично, эллиптические выступы 314 располагаются в виде рядов и столбцов (например, во второй решетке или матрице). В форме осуществления изобретения, показанной на фиг. 3, ряды S-образных прорезей 312 чередуется с рядами эллиптических выступов 314 (например, ряд, состоящий полностью из прорезей, граничит выше и ниже с рядами, состоящими полностью из выступов, и наоборот). Кроме того, в каждом из вышеупомянутых рядов чередуются вертикально ориентированные прорези/выступы и горизонтально ориентированные прорези/выступы. Например, каждая вертикально ориентированная прорезь граничит с ее левой и правой сторон с горизонтально ориентированными прорезями, тогда как каждый вертикально ориентированный выступ граничит с его левой и правой сторон с горизонтально ориентированными выступами. С этой компоновкой первое множество выступов и прорезей размещается с их большими осями параллельными рядам матрицы, в то время как второе множество выступов и прорезей размещается с их большими осями параллельными столбцам матрицы.
[0034] Показанная схема расположения отверстий и выступов обеспечивает заданную пористость (например, приблизительно от 0,3 до 9%) при обеспечении определенного поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона (например, приблизительно от -0,5 до -0,7) в условиях макроскопического плоского нагружения (например, когда напряжение или сжатие прикладываются в плоскости листа). Когда ауксетическая структура 300 растягивается, например, по вертикальной оси, осевая деформация в вертикальном направлении приводит к моменту относительно центра каждой ячейки, который заставляет ячейки поворачиваться. Ячейка может состоять из двух соседних ямок, прилегающих к двум соседним порам. Каждая ячейка поворачивается в направлении, противоположном направлению поворота ее непосредственных соседей. Это вращение увеличивает расстояние в направлении по оси X между соседними по горизонтали ячейками так, что растяжение структуры в направлении Y заставляет ее удлиняться в направлении X. Отверстия имеют (первые) разработанные геометрические характеристики, включая заданную пористость и заданное аспектное отношение, в то время как выступы имеют (вторые) разработанные геометрические характеристики, включая заданную высоту (глубину) и заданное аспектное отношение, которые совместно сконфигурированы с (третьими) разработанными геометрическими характеристиками схемы расположения отверстий и выступов, включая плотность элементов с NPR и компоновку ячеек, для достижения заданного поведения с NPR при макроскопических нагрузках напряжения и деформации.
[0035] В пределах объема и сущности данного изобретения находится также изменение ориентации ямок и пор с учетом формы и определения единичной ячейки. Для примера, другие возможные композиции единичных ячеек включают: квадратные единичные ячейки, где каждая единичная ячейка составлена из пор в каждой из четырех вершин и ямки в центре, как видно из фиг. 5, или ямок в каждой вершине и поры в центре; гексагональные единичные ячейки, где каждая единичная ячейка составлена из ямок в каждой из шести вершин и поры в центре, как видно на фиг. 6, или порами в вершинах и ямкой в центре; и многоугольные единичные ячейки с комбинацией пор и ямок, расположенных по границе контура, как видно на фиг. 7. Единичная ячейка может принимать любую форму, которая может быть расположена в мозаичной схеме. Кроме того, интервал между ямками и порами может быть увеличен или уменьшен, как видно из фиг. 8, включая поры на вершинах или на сторонах ямок, как видно из фиг. 9. Различные формы пор, используемые в комбинации с различными формами ямок, также предусматриваются. Некоторые дополнительные формы пор включают, например, эллиптические, круглые, гантелеобразные, I-образные, S-образные и Z-образные прорези. Некоторые дополнительные формы ямок включают эллиптическую, полукруглую, полусферическую, I-образную, S-образную и т.д.
[0036] Много уравнений может использоваться, чтобы создавать формы выступов, и пример приводится ниже. Здесь а и b определяют отношение длины к ширине сечения эллипсоида в плоскости f(x,y)=0. Глубину ямки регулирует δ. Поперечную кривизну регулируют α и β. Одиночный выступ может быть создан с помощью следующей функции:
ограниченной до:
Ямки могут быть комбинацией направленных внутрь/наружу ямок или все они могут выходить из плоскости в одном направлении.
[0037] Любое число гибридных ауксетических листов с "ямками и порами" может быть сложено в пакет, чтобы достигнуть необходимой механической характеристики или необходимой характеристики охлаждения, или обеих характеристик, и удовлетворить требования к геометрическим параметрам. Альтернативно, гибридный ауксетический лист может быть объединен с плоским или изогнутым листом, или комбинации гибридных листов с ямками и порами, и плоских/изогнутых листов могут быть соединены, чтобы достигнуть необходимого поведения. Преимуществами использования гибрида пористых и непористых ауксетических элементов по сравнению с использованием каждого по отдельности являются способность проектировать структуры для более широкого диапазона пористостей. Некоторые непористые ауксетические структуры могут предназначаться только для применений с 0% пористостью. Рельефные пористые структуры дают наибольшую выгоду для уменьшения напряжения при относительно высоких пористостях. Комбинируя два типа этих ауксетических структур, выгоды для уменьшения напряжения могут быть реализованы при проектировании для более низких пористостей.
[0038] Полезное применение для любой раскрытой конфигурации может быть в пламенной трубе с инжекционным/эффузионным охлаждением, где поры обеспечивают подачу охлаждающего воздуха, а ямки увеличивают турбулентность в потоке. Данная заявка представляет усовершенствование по сравнению с современным уровнем техники, потому что она позволяет уменьшить напряжение, испытываемое компонентом, благодаря тщательно разработанному механическому поведению, а также улучшенным схемам охлаждения. Есть несколько возможных способов изготовления раскрытых примеров осуществления, такие как формирование ямок штамповкой металла и создание пор сверлением (например, лазерным сверлением). Формы осуществления изобретения могут также быть отливками, такими как получаемые точным литьем из-за достигаемой при этом точности, или изготавливаемыми посредством спекания или трехмерной печати. Для конкретного применения ауксетическая структура типа "ямки и поры" может быть оптимизирована по заданным значениям пористости, геометрическим параметрам и профилю температуры конкретного компонента.
[0039] На фиг. 4 показан другой пример гибридной ауксетической структуры типа "ямки и поры", обозначенной в общем как 400, которая использует чередующуюся схему расположения продолговатых симметричных выступов и продолговатых асимметричных прорезей. При отличии по внешнему виду ауксетическая структура 400 может включать любые из особенностей, опций и вариантов, описанных здесь относительно других ауксетических структур. Аналогичным образом, если явно не отвергается и логически допускается, любая из ауксетических структур, раскрытых здесь, может совместно использовать особенности, опции и варианты с другими раскрытыми формами осуществления изобретения. Например, подобно ауксетической структуре 300, показанной на фиг. 3, ауксетическая структура 400 на фиг. 4 содержит упругое твердое тело 410 (например, листовой материал из поликристаллического и/или монокристаллического сплава), включающее S-образные прорези/отверстия, некоторые из которых обозначены как 412, и выступающие эллиптические выступы/ямки, некоторые из которых обозначены как 414. Подобно конфигурации, представленной на фиг. 3, S-образные прорези 412 и эллиптические выступы 414 на фиг. 4 располагаются в квадратной решетке или матрице с рядами и столбцами. В отличие от фиг. 3, каждый ряд и каждый столбец включает S-образные прорези 412, чередующиеся с эллиптическими выступами 414. Например, каждый вертикально ориентированный выступ 414 граничит с четырех сторон с горизонтально ориентированными прорезями 412, в то время как каждая горизонтально ориентированная прорезь 412 граничит с четырех сторон с вертикально ориентированными выступами 414. С этой компоновкой малые оси выступов параллельны рядам матрицы, и малые оси отверстий параллельны столбцам матрицы. Таким образом, большие оси отверстий параллельны рядам матрицы, в то время как большие оси выступов параллельны столбцам матрицы.
[0040] На фиг. 5-7 представлены дополнительные примеры гибридных ауксетических структур типа "ямки и поры", соответственно обозначенных как 500, 600 и 700, которые используют чередующиеся схемы расположения симметричных выступов и продолговатых прорезей. Как показано выше, ауксетические структуры 500, 600, 700 могут включать любые из особенностей, опций и вариантов, описанных здесь относительно других ауксетических структур, таких как рассмотренные выше. Все эти ауксетические структуры 500, 600, 700 содержат упругое твердое тело 510, 610 и 710, соответственно, изготовленное с S-образными прорезями/отверстиями 512, 612 и 712, а также с выступающими полусферическими выступами/ямками 514, 614 и 714. На фиг. 5 S-образные прорези 512 и полусферические выступы 514 расположены в виде повторяющейся или мозаичной схемы расположения квадратных единичных ячеек, где каждая единичная ячейка составлена из прорези 512, расположенной в каждом из четырех углов, с выступом 514 в центре четырех прорезей 512. В отличие от этого, ауксетическая структура 610 на фиг. 6 включает S-образные прорези 612 и полусферические выступы 614, расположенные в повторяющейся или мозаичной схеме расположения гексагональных единичных ячеек, где каждая единичная ячейка составлена из выступов 614, расположенных в каждом из шести углов, с прорезью 612 в центре этих шести выступов 614. Для сравнения, на фиг. 7 используется повторяющаяся или мозаичная схема расположения гексагональных единичных ячеек, где каждая ячейка включает комбинацию прорезей 712 и выступов 714, расположенных по периферии ячейки, и прорезь 712 в центре ячейки.
[0041] На фиг. 8 и 9 показаны другие примеры гибридных ауксетических структур типа "ямки и поры", соответственно обозначенные как 800 и 900, которые используют чередующиеся схемы расположения симметричных выступов и симметричных отверстий. Каждая из ауксетических структур 800, 900 включает упругое твердое тело 810 и 910, соответственно, которое изготовлено с круглыми отверстиями 812 и 912, а также с приподнятыми полусферическими выступами (или "куполами" или "ямками") 814 и 914. Ауксетическая структура 800 на фиг. 8 разработана с отверстиями 812 круглого сечения и полусферическими выступами 814, расположенными в виде рисунка из квадратных единичных ячеек, где каждая единичная ячейка составлена из выступов 814, расположенных в каждом из четырех углов, с отверстием 812 в центре четырех выступов 814. В отличие от этого ауксетическая структура 910 на фиг. 9 разработана с отверстиями 912 и выступами 914, расположенными в виде рисунка из квадратных единичных ячеек, где каждая единичная ячейка составлена из выступов 914, расположенных в каждом из четырех углов, с отверстием 912, проходящим через центр каждого выступа 914.
[0042] Аспекты данного изобретения относятся также к способам изготовления и использования ауксетических структур. Для примера представлен способ изготовления ауксетической структуры, такой как ауксетические структуры, описанные выше относительно фиг. 3-9. Этот способ включает, как неограниченный, следующий набор действий: предоставляют упругое твердое тело, такое как упругое твердое тело 312 на фиг. 3; добавляют к упругому твердому телу множество отверстий, таких как эллиптические прорези на фиг. 2b и продолговатые S-образные прорези на фиг. 3, которые проходят сквозь упругое твердое тело; причем отверстия расположены в матрице рядов и столбцов; и добавляют к упругому твердому телу множество выступов, таких как на фиг. 3, или полусферических выступов, показанных на фиг. 5, которые выступают из поверхности упругого твердого тела, причем выступы расположены в матрице рядов и столбцов. Отверстия сконфигурированы совместно с выступами - например, расположены согласно какой-либо из разработанных схем расположения, изображенных на фиг. 3-9, так, чтобы обеспечить заданную пористость при обеспечении поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона (NPR) при напряжении или деформации.
[0043] Со ссылкой на блок-схему на фиг. 10 ниже описывается в общем как 1000 улучшенный способ проектирования и изготовления ауксетической структуры в соответствии с аспектами данного изобретения. Фиг. 10 может быть типичной алгоритмической схемой или схемой последовательности действий, содержащей команды, которые могут выполняться, например, системой автоматизированного проектирования (Computer Aided Design, CAD), конечноэлементной (Finite Element, FE) (или подобной) системой для расчетов напряжения и/или потока текучей среды, и/или компьютеризированной производственной системой (Computer Automated Manufacturing, САМ), чтобы выполнять любую из выше или ниже описанных функций, связанных с раскрытыми концепциями. Способ 1000 будет описан со ссылкой на различные аспекты и особенности, показанные на фиг. 1-9 чертежей; такая ссылка дается только с целью пояснения и уточнения.
[0044] Способ 1000 начинается в блоке 1001 получением конструктивных параметров для набора заданных требований к конструкции для необходимого применения ауксетической структуры. Эти требование к конструкции могут включать в качестве некоторых неограничивающих примеров требования к внешней нагрузке, требования к термическому демпфированию и т.д. Необязательно в блоке 1003 способ 1000 затем определяет из полученных конструктивных параметров для заданных требований к конструкции компонента, который мог бы извлечь выгоду от использования поведения с NPR, является ли применение подходящим для применения имеющихся структур с NPR. Например, применение может быть названо "подходящим применением для NPR'', если предназначенное применение связано с доминированием теплового напряжения, работает в условиях управляемой смещением нагрузки и/или имеет заданное значение для требуемой величины NPR. Если определяется, что применение не является подходящим для NPR (1003 = НЕТ), способ продолжается блоком 1005, где используется обычная конструкция.
[0045] Если в блоке 1003 определено, что необходимое применение является фактически подходящим для NPR (блок 1003 = ДА), способ продолжается блоком 1007 и/или блоком 1009. Если главным требованием к конструкции применения является конкретное требуемое значение отрицательного коэффициента Пуассона (NPR), последовательность операций переходит к блоку 1007. Требуемое значение NPR может быть подогнано в блоке 1009 за счет подбора конструктивных параметров прорези и конструктивных параметров ямки для ауксетической структуры. Например, любая из раскрытых конфигураций ауксетической структуры, показывающих поведение с NPR, может быть применена, чтобы отрегулировать коэффициент Пуассона с помощью подбора аспектного отношения и/или пористости пористых элементов (в общем, большие аспектного отношения и/или большие пористости подразумевают более отрицательный PR) или выбора соответствующих характеристик ямки (в общем, большая эллиптичность и/или меньшая крутизны подразумевает более отрицательный PR). Изучение параметров может использоваться для определения точного поведения данной геометрии компонента.
[0046] Если, альтернативно, главным требованием к конструкции является заданное значение пористости, и/или значение жесткости, последовательность действий продолжает блок 1011. Согласно показанному примеру блок 1011 может включать также определение из получаемых конструктивных параметров требуемой жесткости для ауксетической структуры. Оценка, проводимая в блоке 1011, может необязательно требовать определения, является ли требуемая пористость компонента высокой, средней или нулевой, и определение, является ли требуемая жесткость высокой, средней или нулевой. Если требуемая пористость компонента является нулевой или почти нулевой и/или требуемая жесткость является относительно высокой, как показано в блоке 1013, способ тогда уменьшит или устранит добавление прорезей с NPR к упругому твердому телу ауксетической структуры так, чтобы ауксетическая структура содержала преимущественно или исключительно ямки NPR, как показано в блоке 1015. Наоборот, если требуемая пористость компонента относительно высока (например, приблизительно 9,0%) и/или заданная жесткость относительно низка, как показано в блоке 1017, способ тогда уменьшит или устранит добавление ямок NPR к упругому твердому телу ауксетической структуры так, чтобы ауксетическая структура содержала преимущественно или исключительно прорези с NPR, как показано в блоке 1019. Однако когда определяется, что заданная пористость компонента является средней (например, больше чем 0%, но меньше чем 9%), и/или заданная жесткость является средней, как показано в блоке 1021, способ добавит дополнительное число ямок NPR и прорезей с NPR к упругому твердому телу, как показано в блоке 1023.
[0047] Продолжая ссылаться на фиг. 10, блок 1025 включает определение, основанное, по меньшей мере, частично, на требуемом значении NPR и требуемой пористости компонента, идентифицированных в блоках 1007 и 1011, параметра конструкции для прорезей с NPR ауксетической структуры, параметра конструкции для ямок с NPR ауксетической структуры и компоновку единичной ячейки для прорезей и ямок. Параметры конструкции прорези включают, отдельно или в любой комбинация, форму прорезей NPR, размер прорезей NPR, аспектное отношение прорези NPR и т.д. При этом параметры конструкции ямки включают, отдельно или в любой комбинации, форму ямок NPR, размер ямок NPR, высоту ямок NPR и т.д. Для сравнения, компоновка единичных ячеек включает схему расположения, интервал, отношение, или любую их комбинацию для прорезей и ямок. Некоторые правила проектирования схемы расположения могут требовать рассмотрения того, что поведение с NPR достигается за счет поворота прорезей NPR и смещения ямок NPR в плоскости. Следовательно, по меньшей мере для некоторых форм осуществления изобретения необходимо, чтобы вышеупомянутые параметры были выбраны для управления этим поведением с целью достижения необходимых характеристик напряжения и эффективности охлаждения. Круглые ямки с минимальной крутизной имеют тенденцию иметь более низкие пиковые напряжения, чем эллиптические ямки или ямки с высокой крутизной.
[0048] Способ 1000 затем переходит к блоку 1027, где рисунок из выбранных ямок (например, полусферических, эллиптических и т.д.) и выбранных прорезей (например, эллиптических, S-образных, I-образных и т.д.) размещается на (верхней) поверхности упругого твердого тела ауксетической структуры. Необязательно, в блоке 1029, параметр(-ы) конструкции прорези, параметр(-ы) конструкции ямки и компоновка единичных ячеек анализируются перед добавлением прорезей и ямок к упругому твердому телу. Этот анализ может использовать модель стоимости, модель демпфирования, модель охлаждения и/или модель напряжения, чтобы определить, требуются ли какие-либо изменения. Если изменение необходимо, в блоке 1031 выполняется итерация и затем способ 1000 возвращается к блоку 1025. В ином случае способ 1000 переходит к блоку 1033, где выбранные прорези и ямки NPR добавляются к упругому твердому телу в соответствии с определенным параметром(-ами) конструкции прорези, параметром(-ами) конструкции ямки и компоновкой единичной ячейки.
[0049] В некоторых формах осуществления изобретения способ включает по меньшей мере те шаги, которые перечислены выше и показаны на чертежах. В пределы объема и сущности данного изобретения входит исключение шагов, включение дополнительных шагов и/или модификация представленного выше порядка. Кроме того, следует отметить, что вышеописанный способ может быть типичным для одной последовательности конструирования и изготовления ауксетической структуры. Однако ожидается, что способ будет применяться на практике систематически и периодически повторяющимся образом.
[0050] Аспекты данного изобретения могут быть реализованы в некоторых формах осуществления посредством выполняемой компьютером программы из команд, такой как программные модули, вообще называемые приложениями или прикладными программами, выполняемыми компьютером. Программное обеспечение может включать в неограничивающих примерах подпрограммы, программы, объекты, компоненты и структуры данных, которые выполняют конкретные задачи или реализуют конкретные абстрактные типы данных. Программное обеспечение может формировать интерфейс, чтобы позволить компьютеру реагировать согласно источнику входных данных. Программное обеспечение может также взаимодействовать с другими сегментами программы, чтобы инициализировать множество задач в ответ на данные, принимаемые совместно с источником принимаемых данных. Программное обеспечение может храниться на любом из множества носителей информации, таких как запоминающее устройство на компакт-дисках, магнитный диск, запоминающее устройство на цилиндрических магнитных доменах и полупроводниковое запоминающее устройство (например, оперативные или постоянные запоминающие устройстве различных типов).
[0051] Кроме того, аспекты данного изобретения могут применяться на практике множеством конфигураций компьютерных систем и компьютерных сетей, включая карманные устройства, многопроцессорные системы, микропроцессорную или программируемую бытовую электронику, миникомпьютеры, большие компьютеры и т.п.Кроме того, аспекты данного изобретения могут применяться в распределенных вычислительных средах, где задачи выполняются устройствами дистанционной обработки данных, которые связаны с помощью сети передачи данных. В распределенной вычислительной среде программные модули могут быть расположены на средствах хранения данных локальных и удаленных компьютеров, включая запоминающие устройства. Поэтому аспекты данного изобретения могут быть реализованы с использованием различных аппаратных и программных средств или их комбинацией в компьютерной системе или другой системе обработки данных.
[0052] Следует отметить, что алгоритмы, проиллюстрированные и обсужденные здесь как имеющие различные модули или блоки или шаги, которые выполняют специфические функции и взаимодействуют друг с другом, приводятся просто ради иллюстрации и пояснения. Следует понимать, что эти модули являются просто выделенными на основании их функции в целях описания, и они могут представлять аппаратные средства компьютера и/или исполняемое программное обеспечение, которое может храниться на машиночитаемом носителе для выполнения на соответствующих аппаратных средствах. Различные функции различных модулей и блоков могут быть объединены или отделены как аппаратные и/или программные средства, хранящиеся на машиночитаемом носителе, как описано выше, в виде модулей любым способом, и могут использоваться по отдельности или в комбинации.
[0053] Данное изобретение не ограничено точной конструкцией и композициями, раскрытыми здесь. Напротив, все возможные модификации, изменения, комбинации, перестановки и вариации, очевидные из предшествующего описания, находятся в пределах объема и сущности изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения. Кроме того, данные концепции включают все возможные комбинации и субкомбинации предшествующих элементов и аспектов.