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导游词

近年来，超材料越来越受到关注。戊烷模型材料(pentamode materials，PM )作为超材料，具有接近液体的弹性性质。华中科技大学的qrdyb研究小组通过改变五型结构的薄壁厚度和结构层数，对五型结构的力学性能进行了有限元分析，获得了很好的承载能力。结果表明，随着厚度从0.15 mm增加到0.45 mm，五模态结构的压缩率增大，泊松比减小。随着层数的增加，五模态结构的泊松比迅速增大，最终达到0.50~0.55的稳定值。五模结构中应力分布的仿真结果证实了薄壁与配重单元的边界存在应力集中。为了验证模拟的力学性能结果，用选择性激光熔化(selective laser melting，SLM )法制备了Ti-6Al-4V合金的五模结构样品，并对其力学性能(泊松比和弹性模量)进行了实验研究数值计算结果与实验结果非常一致。本文的工作有助于设计和开发兼具承载力和五模型性的五型结构。

超材料是经过合理设计的材料，具有周期性/非周期性的结构，以及负泊松比、负弹性、负折射率或负热膨胀等异常的物理性质。作为超材料的一种，五模态材料有五个特征值。也就是说，载荷只能承受单向。实验表明，五模态结构的泊松比为0.5，与流体的泊松比相同。因此，五型结构有时也被称为“超流体”。由于其各向同性、高体积模量、低剪切模量和泊松比为0.5的特殊物理性质，五模态结构在多个领域得到了广泛的应用研究，特别是用于吸声材料和隐身设备的应用。几十年来，在实验和理论上研究了金刚石、六角形、蜂窝形状等各种结构类型的五模态结构，其中主要研究的是五模态结构的力学和声学性能。

最近的研究探索了五模态结构的声学应用领域。例如，Cai等人研究了具有星形体积重的新型蜂窝五臂模型结构的力学性能和声学性能。数值结果表明，五模态结构的力学性能不能简单地转换为声学性能。 Chen等人设计了六角形的五模结构，用放电加工(electrical discharge machining，EDM ) )技术制造了铝块加工的环状五模隐身罩。实验还证明了这件“斗篷”的隐藏性能。 Zao等人利用均匀化理论设计了二维蜂窝五模态结构，利用线切割低速加工技术(wire-cut EDM low-speed，WEDM-LS )制造了Ti-6Al-4V基底五模态结构。仿真和实验结果表明，所设计的水模五模态结构具有良好的声学性能。但是，上述传统的制造工艺速度慢、造价高，不利于大规模的工程APP应用。

增材制造(additive manufacturing，AM )技术是最先进的制造方法，现在很流行，在过去的十年中成为生产各种零件和复杂工程结构的重要加工方法。 Kadic等人首次利用直接激光写入(direct laser writing，DLW )光刻技术制造具有金刚石结构的五模材料，五模材料的力学性能)即体积弹性模量与剪切弹性模量之比)接近1000 Schittny等人进一步研究了聚合物基三维(three-dimensional，3D )五模超材料的弹性性能，发现弹性模量和剪切率均与最小直径和晶格常数之比呈正相关。

但是，高分子材料(E=3 GPa )的力学性能远远低于钛合金(Ti-6Al-4V，E=120 GPa )等金属合金。 Amendola等人的实验研究了用电子束熔化(electron beam melting，EBM )技术制造的Ti-6Al-4V金刚石五模结构的力学响应，结果表明五模单元的几何形状和晶格的宏观纵横比为五模结构的横向顺便说一下，SLM(selectivelasermelting，SLM )技术被认为是最有前途的AM技术之一。这是因为，由松散的金属粉末可以直接制造具有复杂几何形状的接近清洁形状的部件，SLM适用于制造微细复杂的金属基底五型结构。 Hedayati等人实施了为SLM增材制造Ti-6Al-4V金刚石五模结构而开发的基于矢量的能量分配战略。他们发现，金刚石五模结构的力学性能与相对密度(即材料的固体体积与单个单元所占空间总体积之比)无关，而只是与最小的几何尺寸相关。因此，五模态结构的力学性能和质量输运性能可以相互解除耦合，使之具有巨大的生物医学应用潜力。

综上所述，现有研究表明，2D蜂窝结构体无频率依赖性声学特性良好。但是，关于2D五模态结构参数(弹性模量和泊松比)对其力学性能的影响研究较少。几何尺寸与力学性能的关系尚不十分清楚，特别是薄壁结构时，它代表了五型结构中的最小尺寸单位。多层结构层数对2D五模态结构力学性能的影响尚不清楚。由于本项目资源有限，他们只对静态力学进行了理论力学计算、半解析有限元优化和部分实验验证。另一篇文章通过完全耦合的模拟和实验方法，进一步分析了动力学变形和屈服行为。这两部分的内容分别进行了静态力学分析和动态力学分析，这有助于提高五模态结构的综合力学性能研究。

华中科技大学的qrdyb研究小组将是2D五模

结构的声学特性推广到静态力学特性。如前所述，与聚合物基五模结构相比，金属基五模结构具有良好的力学性能，适合于工程应用。Ti-6Al-4V具有良好的加工性、耐腐蚀性、高比强度和生物相容性，在航空航天设备和医用植入体领域得到了广泛的应用。因此，他们对Ti-6Al-4V金属基五模结构进行了研究。具体来说，采用COMSOL多物理软件对不同厚度和结构层数的2D蜂窝状五模结构的力学性能和应力分布进行了有限元分析。将模拟得到的五模结构力学性能与实验测试结果进行了比较，阐述了模拟结果与实验结果不一致的可能原因。

总之，华中科技大学的qrdyb研究团队采用蜂窝单元对五模点阵结构进行了合理设计。采用SLM工艺制备了不同壁厚的Ti-6Al-4V五模结构。通过有限元分析和部分准静态压缩试验，研究了不同厚度和层数的Ti-6Al-4V五模结构的力学性能。

研究结论如下：

（1）通过计算分析，确定了五模材料的几何尺寸与压缩模量之间的关系，指出薄壁厚度是影响五模材料力学性能的关键尺寸。通过有限元分析，研究了五模结构的薄壁厚度和层数对其力学性能的影响，结果表明，五模结构的压缩模量和泊松比在0.15~0.45 mm时分别增大和减小。

（2）有限元计算结果表明，各单元的应力分布基本相同。Von Mises应力水平在配重单元处最低，在配重单元和薄壁连接处最高，表明配重单元和薄壁连接处有形成应力集中的趋势；因此，此处应使用加强筋。此外，不同的薄壁厚度和层数的五模结构的最大应力数值不同。

（3）从准静态压缩试验下五模结构试样的应力应变曲线来看，得到的压缩模量值略高于有限元结果，而实验泊松比值略低于模拟结果。这可归因于黏附粉末颗粒的存在，从而导致力学性能的提高。尽管存在偏差，但也证明2D蜂窝五模结构将相对弹性模量与相对密度解耦，并具有比金刚石五模结构高约两个数量级的承载能力。