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。     

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。     

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。     

多弧段曲边内凹蜂窝可调泊松比结构的力学性能研究

该文提出一种多弧段曲边内凹可调泊松比新型胞元。通过调整弧角,可以设计得到正泊松比、零泊松比和负泊松比的胞元结构。利用能量法求得结构的等效泊松比与等效弹性模量解析表达式,所得结果与有限元结果吻合较好。基于提出的新型胞元构建多胞蜂窝结构,利用数值方法讨论了低速和高速冲击作用下,正泊松比、零泊松比和负泊松比结构的冲击变形失效行为与单位质量能量吸收率。研究发现：低速冲击时,三种泊松比(正/零/负)结构的局部变形不同;高速冲击时,惯性效应使局部变形集中在冲击端,三种泊松比(正/零/负)结构的胞元变形模式不同。不论低速还是高速冲击,负泊松比结构都表现出优异的吸能效果。随着壁厚的增加,结构的吸能效果显著增强。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于拓扑优化的变密度蜂窝结构参数化设计及冲击性能研究

针对现有梯度蜂窝结构的经验式、非连续变梯度等设计方法，无法充分发挥梯度设计对蜂窝结构冲击性能提升效果的问题。基于变密度拓扑优化方法，提出了一种参数化设计的拓扑优化密度映射蜂窝结构，通过改变映射系数、相对密度构建了相应的拓扑优化密度映射蜂窝结构模型。研究了不同冲击速度下，映射系数、相对密度对其面内变形模式、力学响应和能量吸收性能的影响。结果表明，映射系数、相对密度对不同冲击速度下的拓扑优化密度映射蜂窝的面内变形模式具有显著影响，增大映射系数有益于提高其平台应力和比吸能，与相同质量、尺寸的标准蜂窝冲击性能对比结果显示：拓扑优化密度映射蜂窝的峰值应力降低了16.9%、比吸能提高了29.1%。研究表明，将变密度拓扑优化方法引入至梯度蜂窝结构的设计可有效提高其冲击性能。     

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。     

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。     

胞元结构准静态压缩力学行为及吸能特性研究

为探究结构构型和规格参数对胞元结构综合力学特性的影响,设计了7种体积相等、结构构型不同的胞元结构,开展了准静态压缩试验,得到了各胞元结构的变形破坏过程和应力应变关系,分析了胞元构型和壁厚变化对结构承载能力及能量吸收性能的影响,结果表明：内凹鼓形、内凹六边形、内凹弧形胞元结构均呈现出宏观负泊松比特性,外凸六边形、外凸鼓形、正方形胞元结构呈现出宏观正泊松比特性,外凸弧形胞元结构呈现出近似零泊松比特性;胞元结构的直立壁面和曲面(折线面)共同承担压缩载荷,直立壁面主要发生失稳变形,曲面(折线面)主要发生弯曲外张变形或弯曲回缩变形,直立壁面的失稳临界载荷和屈曲模式对结构承载力和平台应力起主导作用;在各个宏观正泊松比胞元中,外凸六边形胞元的结构承载能力较强,外凸鼓形胞元的结构吸能特性较好,在各个宏观负泊松比胞元中,内凹弧形胞元的结构承载能力和结构吸能特性均较好。     

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。     

多层规则排列圆形铝蜂窝共面缓冲优化

目的在不同速度的共面冲击载荷条件下,实现多层规则排列圆形铝蜂窝缓冲性能的优化。方法建立有限元分析模型以得到缓冲力学参数,并通过简化的能量吸收模型来评估其缓冲性能。结果多层规则排列圆形铝蜂窝缓冲性能与动态峰应力和动态密实化应变有关,是由冲击速度、变形模式和相关结构参数共同决定的。结论通过数值结果分析,得到模型变形的临界速度、动态密实化应变和动态峰应力的经验公式,并详细地介绍了可行的缓冲优化方法。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。