负泊松比结构材料凭借独特的变形特性从而拥有高比强度、高能量吸收率等优良的力学性能，在航空航天、医疗卫生等领域具有广阔的应用前景。而具有负泊松比特性的管状结构作为一种新型的功能型超材料，在多个领域也扮演着重要角色，近年来成为一个新兴的研究热点。然而，目前针对负泊松比管状结构的常用设计方法都是基于二维负泊松比结构的，在结构完整性、性能可调控性等方面都存在着较大的局限，从而限制了负泊松比管状结构的实际应用。三周期极小曲面（TPMS）作为一种整体结构可由隐式函数精确控制的曲面，近年来被广泛用于多孔结构的建模与设计。如果能基于三周期极小曲面进行负泊松比管状结构的设计，能方便建立胞元结构参数与泊松比管状结构力学性能之间的关联机制，进而实现通过结构参数对性能属性进行精确调控的目标。
为了实现上述目标，宁波大学智能结构与压电器件实验室研究团队设计了一种基于三周期极小曲面的负泊松比管状结构并对设计参数与其力学性能的关联机制展开了研究。基于Gyroid这一常用三周期极小曲面，通过转换坐标系（笛卡尔坐标转换为极坐标）、选择径向水平参数（1/8周期）、确定胞元参数（水平参数、胞元高度、厚度、周向数量）等步骤生成了具有负泊松比特性的管状结构。
图1.（a）Gyroid三周期极小曲面多孔结构的生成方法；（b）基于三周期极小曲面的负泊松比二维结构生成策略；（c）负泊松比管状结构设计方法
图2.设计参数：（a）胞元高度；（b）周向数量；（c）厚度和外形尺寸；（d）用于变形分析的RVE
此外，研究团队将设计的负泊松比管状结构利用SLM进行制备，结合实验与仿真对多个关键设计参数，包括水平参数、胞元高度、厚度、周向数量对管状结构在压缩过程中的力学性能（负泊松比特性、能量吸收率）的影响机理进行了深入探究。最后，基于研究结果，利用参数化设计方法设计了三种具有梯度分布的管状结构，并对其压缩性能进行了研究。研究结果表明，采用该方法可以简单、快速地生成具有负泊松比特性的管状结构，并能对其力学性能进行精确调控，为设计负泊松比管状结构提供了一种有效的解决思路，也对性能/属性导向的负泊松比结构材料设计进行了有益探索。本方法设计的负泊松比管状结构在生物医学、车辆耐撞、防护工程等领域具有广阔的应用前景。
图3 负泊松比管状结构压缩过程的实验与仿真对比图
图5 具有不同水平参数管状结构在压缩过程中的力学性能：（a）力-位移曲线；（c）位移-泊松比曲线；（c）吸能特性
图6 具有不同梯度的管状结构：（a）胞元高度梯度；（b）水平参数梯度；（c）壁厚梯度
上述研究成果以题为“A novel tubular structure with negative Poisson's ratio based on gyroid-type triply periodic minimal surface”发表于增材制造领域期刊《Virtual and Physical Prototyping》（IF=10.9）上。论文第一作者为宁波大学机械工程与力学学院硕士研究生王为为，通讯作者为金育安副教授。该成果获得国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等项目的资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2203701
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