星型-箭头蜂窝结构的面内动态压溃行为

基于内凹机制,将星型和双箭头蜂窝的微结构巧妙结合,提出了一种新型拉胀蜂窝模型（简称星型-箭头蜂窝（SAH））。基于该模型,采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对其在不同冲击速度和不同相对密度下的变形模式进行了数值模拟研究。结果表明,在星型蜂窝（SSH）中加入箭头蜂窝的微结构将会减弱较低速度下动态压缩SSH时出现的局部"颈缩"现象,使SAH靠近冲击端附近出现了明显的"菱形"变形带,并具有更长的平台区和更高的平台应力。此外,在不同冲击速度下SAH单位质量的吸能值均大于SSH。详细讨论了冲击速度和相对密度对SAH平台应力的影响规律,并给出了平台应力的经验计算公式。      

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。     

六韧带手性蜂窝结构的动力学响应特性研究

利用显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA数值研究了六韧带手性蜂窝结构的面内冲击动力学特性。在保证圆环节点半径不变的前提下,通过改变韧带长度和胞元厚度,首先建立了六韧带手性蜂窝的有限元模型,具体讨论了冲击速度和胞元微结构参数对手性蜂窝材料的面内宏/微观变形行为、密实应变、动态平台应力和比能量吸收能力的影响。研究结果表明,随着冲击速度的增加,六韧带手性蜂窝结构表现为3种宏观变形模态：“> <”型模式、“过渡”模式和“I”型模式。在中、低速冲击载荷下,能够明显观察到拉胀材料在轴向压缩时独特的“颈缩”现象,其主要与韧带绕着圆环中心节点的旋转变形有关。通过引入无量纲“动态敏感因子”,还研究了六韧带手性蜂窝材料的面内动态冲击强化效应。     

空竹型负泊松比蜂窝结构的面内冲击性能研究

由于负泊松比蜂窝结构具备高比刚度、优良吸能特性等优点,近年来受到众多学者的关注。基于内凹六边形负泊松比结构,提出一种空竹型负泊松比蜂窝结构。运用一维冲击理论推导出结构的冲击临界速度。通过有限元ABAQUS/EXPLICIT对结构进行面内冲击响应特性分析,结果表明：与传统的内凹六边形结构相比,空竹型蜂窝结构具有更高的平台应力和比吸能,提高了结构的耐撞性和能量吸收能力;给出了不同冲击速度和结构参数对空竹型蜂窝平台应力与比吸能的影响规律。研究结果可为负泊松比蜂窝结构在实际工程中应用提供设计指导。     

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。     

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。     

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。     

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。     

矩形与X形组合蜂窝异面缓冲性能的研究

目的 为了研究矩形与X形组合蜂窝材料在异面冲击载荷下的缓冲吸能特性,建立矩形与X形组合蜂窝的有限元模型,分析在不同冲击条件下组合蜂窝结构的能量吸收、动态平台应力及其变形模式。方法 借助ANSYS/LS–DYNA软件建立可靠的基于单元阵列的异面缓冲性能有限元分析模型,基于该模型在不同结构参数和冲击速度下进行异面动态冲击仿真分析,将结果以图表等形式进行展示。结果 组合蜂窝结构的异面缓冲性能较矩形、X形蜂窝结构更为优异。当相对密度一定时,随着扩展角的增大,组合蜂窝结构的缓冲性能会有一定提升。扩展角为90°的组合蜂窝结构与扩展角为70°、50°和30°的组合蜂窝相比,其单位体积能量吸收值分别提高了3.77%、4.53%和26.95%。异面动态平台应力与冲击速度和结构参数之间,可用某一确定的曲线关系进行拟合。结论 矩形与X形蜂窝之间会产生较强的耦合效应,使组合蜂窝结构的接触载荷和总能量吸收值均大于两者之和;冲击速度对变形模式的影响较大,在冲击载荷下存在3种变形模式,但壁厚的改变对变形模式并未产生明显影响。当扩展角和冲击速度一定时,组合蜂窝异面动态平台应力与壁厚边长比呈二次曲线关系;给定扩展角和壁厚时,异面动态平台应力与冲击速度呈一次曲线关系。     

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。     

蜂窝铝的面内动态冲击有限元研究

目的研究双壁厚蜂窝铝的面内动态冲击力学行为。方法利用Ansys/LS-DYNA有限元软件,建立双壁厚蜂窝铝有限元模型,分析蜂窝铝壁厚和冲击速度对蜂窝铝面内变形模式和平台应力的影响。结果随着冲击速度的增大,在蜂窝铝的压缩方向上观测到3种变形模式,获得了变形模式转换的临界速度,并给出了临界速度与厚跨比的关系式。计算了不同冲击速度和厚跨比下蜂窝铝的平台应力。结论变形模式对平台应力有很大的影响,不同的变形模式下呈现不同的规律:准静态模式时,平台应力与冲击速度无关;过渡模式和冲击模式时,平台应力随着冲击速度v的增大而增大,分别与v 1.5和v2成线性关系。根据有限元结果,拟合得到了不同的变形模式下平台应力与冲击速度的经验公式。     

正方形自填充蜂窝结构异面平台应力的研究

目的 为了促进正方形自填充蜂窝的合理使用，研究其异面平台应力随冲击速度、壁厚边长比和自填充级数的变化规律。方法 利用ANSYS/LS-DYNA建立基于胞元阵列的正方形自填充蜂窝异面冲击分析的有限元模型。对自填充级数为0的正方形蜂窝进行异面压缩试验和相应的仿真分析，证明有限元模型的可靠性。基于简化的超折叠单元理论，建立蜂窝准静态平台应力的理论模型，并证明理论模型的可靠性。结果 正方形自填充蜂窝在大的壁厚边长比和冲击速度下拥有更高的动态平台应力;在自填充级数由0变为1时，动态平台应力增长率最大。结论 在其他因素不变的情况下，正方形自填充蜂窝的异面动态平台应力与冲击速度的平方呈线性关系，与壁厚边长比呈幂指函数关系，其增长率随自填充级数逐级递减。基于数值模拟结果，得到了不同自填充级数下正方形自填充蜂窝异面动态平台应力的经验公式。     

米字形填充正方形蜂窝异面平台应力

目的 研究冲击速度和结构参数对米字形填充正方形蜂窝异面平台应力的影响规律。方法 利用ANSYS/LS-DYNA建立该蜂窝可靠的基于胞元阵列的异面冲击分析有限元模型;基于简化的超折叠单元理论推导该蜂窝的准静态平台应力理论公式,理论值与仿真值相吻合验证理论公式的正确性。对不同壁厚边长比的蜂窝,在不同冲击速度下进行异面冲击仿真分析,利用LS-PrePost软件处理得到相应的接触力-位移曲线,进一步处理得到变形模式和平台应力,并以图表的形式加以展示与分析。结果 不同冲击速度下结构参数固定的蜂窝表现出LS、MS和HS等3种不同的异面冲击变形模式,从LS模式转变到MS模式再到HS模式的临界速度分别约为20 m/s和150 m/s;壁厚边长比对变形模式的影响可忽略。结论 该蜂窝动态平台应力随冲击速度(或壁厚边长比)的增加而增大,且增长速率不断提高。当其他参数固定时,LS模式和MS模式下该蜂窝的动态平台应力与冲击速度呈二次函数关系,HS模式下动态平台应力与冲击速度的平方呈线性关系;动态平台应力与壁厚边长比呈幂函数关系。基于仿真计算结果,得到了该蜂窝动态平台应力的经验表达式。     

凹六边形蜂窝纸板面内承载性能有限元仿真分析

目的 探究以凹六边形为芯层的蜂窝纸板的力学性能,为凹六边形蜂窝纸箱的运输包装设计提供理论基础.方法 运用有限元仿真,分析不同结构参数影响下的凹六边形蜂窝纸板的面内承载性能.结果 当水平胞壁的长度减小,其他结构参数保持不变,凹六边形蜂窝纸板面内方向上的平台应力增大,能量吸收平台阶段标准化应力增大,最佳吸能点也上升.结论 凹六边形蜂窝纸板结构参数的变化对其平台应力和能量吸收特性有深远影响,其性能研究促进了蜂窝纸箱的进一步发展.     

圆形蜂窝共面冲击力学性能

目的基于有限元模拟的方法,比较研究规则和交错排列的圆形蜂窝共面动态冲击力学性能。方法利用Ansys/LS-DYNA建立2种蜂窝的共面冲击分析有限元模型。结果借助于该模拟方法,分析得到在结构参数一致,冲击速度不同的情况下,规则排列的圆形蜂窝变形模式呈现3个阶段,即"X","V"和"一"字形,交错圆形蜂窝变形模式几乎相同,呈"一"字形。得出了2种排列方式的圆形蜂窝的变形模式转换速度与壁厚半径比的关系。根据有限元模拟结果,推导出了动态峰应力关于结构参数和冲击速度的经验公式。结论用有限元模拟的方法得到了2种排列方式的圆形蜂窝的共面冲击力学性能,为圆形蜂窝芯材的优化设计提供了参考依据。     

构型对正多边形蜂窝异面缓冲性能的影响

目的 利用有限元法研究应变率不敏感的双线性各向同性应变硬化正多边形（等边三角形、正方形、正六边形和正八边形）蜂窝的异面缓冲性能。方法 建立基于正多边形蜂窝特征单元的异面冲击分析有限元模型，提出最佳应变这一缓冲性能评价新指标，基于此重新定义各能量吸收评价指标，形成新缓冲性能评价方法。结果 以此获取不同相对密度的各正多边形蜂窝在不同冲击速度下的变形模式和应力-应变曲线，以及平均平台应力、比能量吸收和冲击力效率等评价指标值，并进行了分析。结论 给定相对密度下，正八边形蜂窝具有最大的异面平均平台应力；正多边形蜂窝的比能量吸收与冲击速度成二次关系；定密度的正六和八边形蜂窝的冲击力效率优于等边三角形和正方形蜂窝。     

Transverse elastic shear of auxetic multi re-entrant honeycombs

The paper describes the transverse shear properties of a novel centresymmetric honeycomb structure evaluated using analytical and finite element models. The cellular structure features a representative volume element (RVE) geometry allowing in-plane auxetic (negative Poisson’s ratio) deformations, and multiple topologies to design the honeycomb for multifunctional applications. The out-of-plane properties are calculated using a theoretical approach based on Voigt and Reuss bounds. The analytical models are validated using a full scale Finite Element technique to simulate transverse shear tests, a quarter FE of the RVE with periodic shear conditions and an FE homogenisation method for periodic structures. The comparison between the analytical and numerical models shows good convergence between the different set of results, and highlights the specific deformation mechanism of the multi re-entrant honeycomb cell.     

三角形蜂窝异面动态压缩仿真研究

目的研究三角形蜂窝材料结构参数和压缩速度对其异面压缩性能的影响。方法借助Ansys/LS-DYNA建立基于特征单元的三角形蜂窝异面动态压缩有限元分析模型,而后对三角形蜂窝在不同单元结构参数和压缩速度下进行异面压缩参数化仿真计算。结果对于三角形蜂窝,当所有结构参数保持不变时,异面动态峰应力与压缩速度呈二次曲线关系。在给定压缩速度下,扩展角固定的三角形蜂窝的异面动态峰应力与壁厚度边长比呈幂函数关系;壁厚边长比固定的三角形蜂窝的异面动态峰应力与拓展角呈二次曲线关系。结论当相对密度一致时,正三角形蜂窝比正六边形蜂窝异面比吸能值更大;异面动态峰应力与压缩速度、单元结构参数之间的相互关系,可用一定关系曲线进行拟合。     

正方形蜂窝芯材共面冲击力学性能

目的研究正方形蜂窝芯材在共面冲击载荷作用下的力学行为。方法借助于有限元软件ANSYS/LSDYNA,建立了相应基于单元阵列的有限元模拟和分析方法。结果随着冲击速度的增加,正方形蜂窝表现为不同的变形模式,其冲击响应的力-位移曲线包含了具有明显不同特征的4个阶段,对于给定结构参数的正方形蜂窝样品,在不同冲击速度下会呈现出不同的变形模式。计算出了不同冲击速度下不同壁厚边长比的正方形蜂窝芯材的动态峰应力。结论正方形蜂窝芯材的动态峰应力,是其静态峰应力和因惯量引起的峰应力增量之和;静态峰应力与正方形蜂窝芯材的相对密度成正比,峰应力增量与冲击速度的平方成正比,而相对密度又取决于壁厚边长比。最后拟合得到了动态峰应力关于壁厚边长比和冲击速度的经验公式。