题目：胞元式柔性机构及结构的特性分析与应用

    随着制造技术的不断进步，胞元结构逐渐成为国内外学者研究的热点。这类结构的基本特点是轻质高强度，缓冲吸振。而且精心设计的胞元结构通常具有一些特殊的性质，比如大的屈服应变、零泊松比、负泊松比、热收缩等特性。目前，胞元结构主要应用于变体飞机、免充气轮胎、轻质高强材料等领域。可以断言，胞元结构的分析与设计会是一个非常有竞争力的研究方向。

    本文通过分析胞元结构的工作机理，指出胞元结构可看作一类特殊的柔性机构，并使用柔性机构的相关理论和分析方法，进行胞元结构的设计与分析；然后总结和介绍了胞元结构的常用分类方法，最后以应用需求到胞元设计、胞元特性到工程应用两种思路，分详细设计和原理验证两种层次，对胞元结构的设计和应用进行探索。

    在胞元结构设计和应用的探索上，本文针对胞元结构的各项异性、零泊松比、大应变、热收缩等四项特性，将之分别应用到免充气轮胎、血管支架、柔性工作台、热不变形圆环的设计中。其中，免充气轮胎和血管支架为从应用需求到胞元设计的案例，柔性工作台和热不变形圆环为从胞元特性到工程应用的案例。这四项案例中，免充气轮胎和柔性工作台为详细设计案例，血管支架和热不变形圆环为原理验证案例。

    在免充气轮胎的设计中，首先分析了车辆直行和转向时对车轮的基本性能要求，进而提出免充气轮胎胞元的设计要求；然后以改进设计和创新设计两种思路，设计了两种免充气轮胎的胞元，分析了胞元几何参数对轮胎性能的影响；有限元分析结果表明，参数优选后的免充气轮胎可满足预期的设计指标要求。

    在血管支架的设计中，首先分析了血管支架使用过程的基本要求，进而提出无轴向缩短血管支架的设计理念；然后借鉴零泊松比胞元的变形特点，设计了两种新型构型的血管支架；通过理论分析和有限元仿真，结果表明这两款血管支架均具有较小的轴向缩短率。

    在柔性工作台的设计中，首先分析了大应变胞元的工作机理，提出将四边形胞元和六边形胞元应用到柔性工作台的设计中；然后经过刚柔结合、正交设计、对称设计等过程，得到了平面2T和2T1R柔性工作台的相关构型；接着在胞元尺寸设计的基础上，根据几何形状确定工作台的其它尺寸；最后使用柔度矩阵法和有限元仿真，验证了柔性工作台设计的可行性和合理性。

    在热不变形圆环的设计中，首先分析了二维热收缩胞元的工作机理；然后借鉴二维胞元的结构，设计了三维热收缩胞元，推导了三维热收缩胞元的热膨胀系数与胞元的几何参数、材质的热膨胀系数间的计算公式，并使用有限元仿真验证了此公式的正确性；最后，借鉴热收缩胞元的工作机理，设计了热不变形的圆环，推导了圆环内外间距受热不变时，胞元的几何参数与材质的热膨胀系数应满足的等式关系，并使用有限元仿真验证了公式的正确性。