正弦曲边负泊松比蜂窝结构面内冲击性能研究

提出了一种引入正弦函数曲线的负泊松比蜂窝结构,通过改变振幅、胞壁厚度等微结构几何参数,建立了参数化的正弦曲线负泊松比蜂窝结构模型。研究了冲击速度和微结构几何参数对正弦曲线蜂窝结构面内冲击变形模式、动态响应和吸能特性的影响。研究表明:正弦曲线负泊松比蜂窝结构的面内冲击性能主要与其振幅、壁厚以及冲击速度有关。中低速冲击时,振幅越大,胞壁越厚,结构面内变形越均匀。随着冲击速度的提高,增大振幅、壁厚均可一定程度增加冲击端的平台应力。对结构吸能特性的分析表明,振幅较小的正弦曲线负泊松比蜂窝结构具有更强的能量吸收能力,相对于内凹六边形蜂窝结构,能够显著降低峰值冲击力。     

内凹-星型三维负泊松比结构设计及冲击吸能特性

负泊松比结构因其反常的变形机制在缓冲吸能领域具有可观的应用前景。该文设计并表征了一种参数可调的新型负泊松比结构。采用理论和数值模拟相结合的研究手段,系统地研究了结构的静/动态力学性能和吸能特性。研究结果表明：新结构具有较好的力学性能和参数可调性;在静态压缩条件下,新型蜂窝结构具有更高的刚度和更优异的吸能性能,其比吸能值是内凹型蜂窝结构的2.64倍,是星型蜂窝结构的3.89倍;在动态冲击条件下,内凹-星型结构的吸能性能在低速时优于两种传统蜂窝结构(内凹和星型),在中高速时其吸能优势有所退化,与内凹型蜂窝结构相当,但远高于星型蜂窝结构。     

负泊松比三明治结构填充泡沫混凝土的面内压缩性能

为改善负泊松比三明治结构的受压破坏模式且提高其缓冲吸能能力,提出一种填充泡沫混凝土的新型复合三明治结构。在负泊松比结构中填充不同密度(409 kg/m3、575 kg/m3、848 kg/m3、1 014 kg/m3)的泡沫混凝土得到负泊松比填充结构,并对无填充负泊松比结构、负泊松比填充结构和泡沫混凝土对照试块在准静态压缩下的破坏模式和吸能特性进行比较。根据荷载-位移关系和破坏模式得到以下结论:当填充物密度较小时,负泊松比填充结构能够将填充物的泊松比限制在较小的数值,胞元表现出内凹的变形模式,结构发生逐渐被压实的压缩破坏;当填充物密度较大时,结构发生“X”型剪切破坏,塑性铰区域和剪切带附近的胞壁发生断裂破坏;泡沫混凝土填充物的密度越大,填充结构的压实应变越小,吸收的能量越多,但当填充物密度超过一定值后,填充物密度的增加对负泊松比填充结构能量吸收能力的提升作用不再明显,结构的比吸能降低。      

新型十字形负泊松比蜂窝结构的抗冲击性能

负泊松比力学超材料具有高可设计性、轻量化以及抗冲击方面的优势，引起学者们的关注，对内凹六边形结构、手性结构等经典构型进行了广泛研究。提出了一种新型的十字形负泊松比蜂窝结构，基于能量法对该结构泊松比的解析式进行了推导，所得解析解与有限元结果吻合良好，证明了推导方法的有效性；针对不同冲击速度和不同杆长比例系数的十字形蜂窝结构的变形模式、冲击载荷下的名义应力应变曲线以及能量吸收特性进行了研究。结果表明：杆长比例系数越小，泊松比越小；冲击速度和杆长比例系数会影响十字形蜂窝结构的变形模式、冲击载荷下的名义应力应变曲线和平台应力；十字形蜂窝结构的体吸能在中速冲击下会随应变增大出现增长加快现象，而高速冲击下体吸能增长趋势不再随应变增大出现加快但呈现出规律的波浪形增长。     

负泊松比内凹蜂窝结构梯度设计与动态冲击响应EI北大核心CSCD

根据负泊松比内凹蜂窝结构的变形机理,提出了一种变截面内凹蜂窝结构构型,利用ABAQUS软件研究了三维结构的动力学特性,分析了变截面负泊松比蜂窝结构在准静态压缩时的变形模式,并进行了实验验证,实验结果与有限元吻合良好。讨论了在不同冲击速度下梯度变截面内凹蜂窝结构的能量吸收性能,结果表明,在中低速下双向负梯度的能量吸收效果优于其他3种结构。所得结果为研究负泊松比力学超结构在动态冲击作用下的能量吸收提供了参考。     

蛛丝β-片状纳米晶体启发的蜂窝结构动态力学特性研究

蜘蛛曳丝具有优异的力学特性,其β-片状纳米蛋白晶体在微观尺度下发挥着重要作用;受β-片状纳米蛋白晶体规则的拓扑结构启发,抽象出一种含凹角和六边形特征的新型蜂窝结构。通过数值模拟及理论分析发现,该结构具有丰富且独特的变形模式。凹角旋转闭合和斜边弯曲的变形机制使其在高速冲击下具有零泊松比性质;低速冲击下,该结构为均匀的胞元整体旋转变形,且由于变形中形成了新的胞体结构,平台应力阶段存在明显分段现象;进一步地,给出了该结构的变形模式图和平台应力公式;针对旋转变形机制多胞体蜂窝结构在低速冲击下平台应力分段的特征,提出了修正后的平台应力表达式。经对比分析,发现该结构与六边形蜂窝结构的吸能能力处于同一水平,可以为对横向变形有要求的场合提供防护选择。     

弧边内凹蜂窝负泊松比结构的面内冲击动力学数值研究

该文数值研究了一种可变弧边内凹多胞蜂窝负泊松比结构的面内冲击动力学性能,讨论了胞元弧角和冲击速度对结构的变形失效模式、动力响应曲线、能量吸收特性和平台应力特征的影响。研究表明:冲击过程结构中出现旋转位移,胞元发生扭曲变形;结构变形受胞元弧角的影响,胞元弧角取值不同时结构具有不同的面内冲击失效模式;冲击过程中应力-应变曲线包括初始阶段、稳定阶段和锁定阶段,最终结构进入密实化阶段;结构的体能量吸收值和平台应力受冲击速度和胞元弧角的影响显著。     

内凹三角形负泊松比材料的面内冲击动力学性能

提出了一种内凹三角形负泊松比材料,在保证元胞其他几何参数不变的前提下,通过改变三角形侧边内凹角度,建立了不同内凹形式的内凹三角形负泊松比材料模型。通过显式动力有限元软件LS-DYNA具体分析了内凹形式与冲击速度对内凹三角形负泊松比材料面内冲击变形和能量吸收能力的影响。研究结果表明:冲击载荷作用下,在冲击端,相对于三边内凹的情况,单边内凹的平台应力更大;在固定端,侧边内凹程度越小,输出应力滞后时间越长。相比于内凹六边形负泊松比材料,内凹三角形负泊松比材料吸能更平稳,压缩量也更大,并随着冲击速度的提高,内凹三角形负泊松比材料表现出更强的能量吸收能力。     

倾斜荷载下内凹三角形负泊松比材料的面内冲击动力学性能

倾斜荷载在汽车碰撞事故中无法避免,严重影响多胞材料的力学响应。以内凹三角形负泊松比材料为研究对象,通过显式动力有限元软件LS-DYNA具体分析了冲击倾角(0°~10°)与冲击速度(20~70 m/s)对内凹三角形负泊松比材料面内冲击的变形模态和动力响应的影响,并构造了完整的变形模式分类图。引入最佳承载角的概念,当冲击倾角β=4°时,诱发了稳定有序的变形模式,使得抵抗变形的形式主要以结构胞壁的压缩与弯曲为主,平台应力值与吸能值得到了较大的提升,进一步发挥了结构的抗承载能力,甚至超过了理想的轴向冲击工况。这一特征与六边形蜂窝结构有所不同,对汽车吸能构件的设计具有重要的指导意义。     

冲击载荷下箭头型负泊松比蜂窝结构动态吸能性能研究

以箭头型负泊松比蜂窝结构为研究对象,在已有的冲击载荷下蜂窝结构平台应力理论模型的基础上,着重考虑平台区和平台应力增强区,建立了其受冲击载荷时吸收能量的理论模型,得到了其在冲击载荷下不同阶段吸收能量及对应等效应力大小与几何参数的关系。基于ANSYS仿真软件模拟了在冲击载荷作用下,箭头型负泊松比蜂窝结构的吸能和应力情况,对比验证了仿真结果与理论模型。结果表明,利用所建立的理论模型能够较为准确地描述蜂窝结构在冲击载荷下的动态吸能性能,并为负泊松比蜂窝结构的几何参数选择和优化设计提供指导。     

负泊松比内凹环形蜂窝结构的冲击响应特性研究

为了降低最大峰值应力和维持良好的冲击载荷一致性,在内凹六边形蜂窝(CHH)的基础上,基于机械超材料的设计理念,提出了一种新型负泊松比内凹环形蜂窝(RCH)结构模型。利用显式动力有限元方法,研究了面内冲击载荷作用下胞元微结构对该内凹环形蜂窝材料的变形行为、动态冲击应力和能量吸收特性的影响。研究结果表明:除了冲击速度和相对密度,内凹环形蜂窝结构的冲击动力学响应还依赖于胞元微结构;在中低速冲击作用下,内凹环形蜂窝亦表现出明显的负泊松比效应;与传统内凹六边形蜂窝不同,在相同冲击速度下,内凹环形蜂窝的最大峰值应力明显降低,并且具有良好的冲击载荷一致性;基于一维冲击波理论,还给出了内凹环形蜂窝材料的动态平台应力经验公式,理论计算结果和有限元结果吻合较好。     

星形节点周期性蜂窝结构的面内动力学响应特性研究

利用显式动力有限元法数值研究了冲击载荷下星形节点周期性蜂窝结构的面内冲击动力学响应特性。在保证各胞元壁长不变的前提下,通过改变胞壁厚度、内凹箭头节点间夹角和韧带长度等微结构参数,首先建立了星形节点周期性蜂窝结构的有限元模型。在此基础上,讨论了冲击速度和微结构参数对星形蜂窝材料的宏/微观变形、密实应变和动态冲击强度的影响。结果表明,由于胞壁受膜力和弯矩的耦合作用,在中、低速冲击载荷下,试件表现出负泊松比材料在轴向压缩时的"颈缩"现象。基于能量效率法和一维冲击波理论,给出了星形蜂窝结构密实应变和动态平台应力的经验公式,以预测多胞材料的动态承载能力。该研究将为拉胀多胞材料冲击动力学性能的多目标优化设计提供新的设计思路。     

新型负泊松比多孔吸能盒平台区力学性能

提出了一种具有负泊松比效应的汽车前纵梁吸能盒(NPRC)结构,通过对元胞平台区的失效模式和平台应力的分析,研究了此结构在失效时的力学性能,即等效弹性模量和平台应力在面内加载过程中均能得到一定程度的增强,表现出较好的能量吸收能力。根据NPRC元胞在平台区的力学模型,分别建立了发生弹性屈曲和塑性塌陷时的临界应力公式,得出塑性塌陷是该结构的主要失效模式。通过Matlab程序建立了NPRC元胞的参数化有限元模型,研究了元胞几何参数与平台应力的关系,即元胞的平台应力与长度系数和元胞夹角呈反比,与厚度系数呈正比。通过NPRC结构3×3样件的面内轴向准静态压缩实验验证了有限元分析结果,实验结果表明:NPRC样件等效负泊松比为-11.97,产生密实化现象,平台应力的峰值随着应变的增加逐渐增大,这对提高能量吸收性能具有重要的研究意义。     

连续爆炸冲击下负泊松比超材料防护结构性能研究

连续爆炸冲击现象在重大爆炸事故中经常出现,这对防护结构的性能提出更高要求。该研究对负泊松比超材料防护结构在连续爆炸冲击作用下的抗爆性能开展研究。首先,探讨了连续爆炸载荷的特点及作用方式。其次,采用数值仿真方法分析了海洋平台的负泊松比超材料防爆墙和负泊松比超材料双层横舱壁在连续爆炸冲击下的变形模式和应变分布,揭示了连续爆炸冲击下该类超材料结构的二次变形规律和毁伤机理。研究发现,內爆和外爆连续冲击载荷的作用方式并不相同,负泊松比超材料结构在连续外部及内部爆炸冲击时分别出现了局部坍塌挤压吸能、结构密实化整体弯曲等两种不同变形模式。研究结果可为防护结构连续抗爆设计提供参考。     

聚脲涂覆三维负泊松比点阵夹层结构在碰撞冲击作用下的动态响应试验

针对四面内凹金字塔型负泊松比点阵夹层结构在有无聚脲涂覆两种情况下的抗冲击力学性能进行了研究。采用增材制造方法制作负泊松比点阵结构,通过长直杆冲击试验得到负泊松比点阵夹层结构在碰撞载荷作用下的变形过程、吸能特性和破坏模式。试验结果表明:涂覆聚脲可使该型负泊松比点阵夹层结构提高17%以上的总吸能,增强结构的整体抗冲击能力,显著降低前面板的内凹变形,有效避免芯层大范围的坍塌破坏。相比于未涂覆聚脲模型,涂覆聚脲的负泊松比点阵夹层结构在受冲后保持完整,芯层仍具有承载能力,表现为塑性弯曲变形。     

内凹-反手性蜂窝结构的面内动态压溃性能研究

通过内凹六边形蜂窝与反手性蜂窝的结合得到一种内凹-反手性蜂窝(re-entrant anti-trichiral honeycomb,RATH)结构。利用显式动力有限元软件LS-DYNA对不同冲击速度和不同相对密度下内凹-反手性蜂窝的变形模式、抗冲击性能及拉胀性能进行了研究。结果表明,引入内凹结构可以显著增强中低速冲击时反手性蜂窝的局部“颈缩”现象,且在靠近内凹-反手性蜂窝的冲击端呈现出明显的“V形”变形带。与三边反手性蜂窝及传统蜂窝相比,内凹-反手性蜂窝的能量吸收性能更强,负泊松比效应更明显。基于一维冲击波理论,推导了内凹-反手性蜂窝的临界冲击速度和平台应力的经验公式。此外,讨论了冲击速度和胞壁厚度对平台应力及平台应变的影响。该研究将为混合变形机制拉胀蜂窝结构的设计提供新的思路。     

基于泡沫铝“三明治”结构的吸能装置设计与吸能仿真分析

研究泡沫铝“三明治”结构应用于大冲击能量吸能装置的设计,给出了泡沫铝材料用于吸能装置的设计方法与步骤,设计出可吸收2.232 MJ能量的新型斜井跑车防护装置.利用LS/DYNA进行该装置的碰撞仿真分析,发现泡沫铝在高速冲击中逐层压溃,具有很好的缓冲吸能效果;在冲击过程中,瞬时吸能速率随着泡沫铝变形的加剧和结构强度的提高而增大,冲击中泡沫铝“三明治”结构出现粘结失效.     

仿平行叶脉次级肋板增强多胞管轴向压溃响应

受树叶平行叶脉启发，在多胞管(multicell tube, MT)外侧柱壳的内表面引入次级肋板构建新型仿生多胞管(bionic multicell tube, BMT),通过诱导改善薄壁结构变形模式提高能量吸收特性。通过3D打印技术制备试样开展准静态压缩试验，结合数值模拟研究了管壁厚度、冲击速度、次级肋板形态等因素对结构变形和能量吸收的影响，结果表明：1)采用倾斜次级肋板增强的BMT结构的平均压溃力和比吸能相比于MT提高约31%～59%和20%～35.2%;次级肋板的引入可诱导薄壁结构在±45°方向交错产生长度较长的塑性铰，薄壁结构弯曲变形能的提升是结构吸能特性增强的主要因素。2)BMT的次级肋板宽度小于1 mm时无法对外侧圆柱壳进行变形诱导，在10～70 m/s加载速度范围内BMT能量吸收特性随着冲击速度增大而增大。3)次级肋板的引入对MT中主级肋板和内侧圆管的能量吸收影响较小，但能够显著提高外侧圆管的吸能水平并降低其变形模式对加载速率的依赖性。     

微元胞缺失下三星型微结构面内动态性能分析

由于制造精度和生产工艺等原因，微结构材料内部往往会出现胞元缺失，从而对其整体性能产生影响。以三星型微结构为研究对象，首先，采用准静态压缩试验对模型可靠性进行了验证；其次，通过有限元软件Hyperworks和显示动力有限元软件LS-DYNA对其进行联合仿真分析，得到不同冲击速度和不同微元胞缺失数目下该三星型微结构的变形模式、应力-应变曲线、吸能曲线和平台应力对比曲线。结果表明：当冲击速度处于一定范围(20～80 m/s)时，微元胞缺失数目越多，三星型微结构的负泊松比效应(negative Poisson’s ratio, NPR)越弱，从而平台应力显著降低，吸能特性减弱；而在微元胞缺失数目相同的条件下，冲击速度越高，平台应力越大，吸能量越多。该研究为其在车辆吸能件中的应用提供数据支持。     

泡沫铝填充薄壁铝合金多胞构件与单胞构件吸能性能研究

为研究泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的吸能能力,该文基于有限元软件LS-DYNA建立了泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的数值仿真。对经典薄壁圆管试验及泡沫铝填充薄壁圆管试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能够较好的模拟泡沫铝填充薄壁圆管在轴向冲击过程中的撞击力和变形发展。基于该模型对比研究了不同因素下泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的轴向吸能特性,分析了其破坏模式、吸能机理和两者吸能效率。结果表明:在轴向冲击荷载作用下,泡沫铝填充薄壁铝合金的破坏模式为轴对称渐进折叠破坏模式,冲击力-位移曲线和变形模态图显示其变形过程分为3个阶段:弹性阶段、平台阶段和强化阶段。当冲击压缩距离为构件高度的80%时,7种不同参数下的泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构的吸能效率明显高于7种单胞结构,吸收的能量E和比吸能SEA都提高了50%以上,是一种优秀的吸能构件,可广泛应用于防护工程中。