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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

负泊松比材料和结构的研究进展

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。     

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。     

正多边形外接填充圆形蜂窝异面动态缓冲性能

目的 为了研究正多边形外接填充圆形蜂窝的缓冲性能,建立不同正多边形外接填充圆形蜂窝的冲击有限元模型,分析研究多边形填充对圆形蜂窝缓冲性能的影响.方法利用Ansys/LS-DYNA建立正三、四、五、六边形外接填充圆形蜂窝的有限元分析模型,用六水平等级法评价分析各有限元模型在异面方向不同冲击速度下的力学性能、变形模式和能量吸收特性.结果正多边形与圆形蜂窝产生了较强的耦合响应,使组合结构的接触载荷和总能量吸收值均大于两者单独冲击数值之和;正六边形外接填充圆形蜂窝结构的六水平等级评价均为A,优于其他组合类型,且在不同冲击速度下不同正多边形外接填充圆形蜂窝的评价结果大致相同;正六边形外接蜂窝结构在冲击载荷下存在3种变形模式,随冲击速度的变化而变化,蜂窝壁厚对其的影响较小.随着冲击速度和壁厚的增大,动态峰应力、密实化总能量吸收和比吸能均有一定程度的提升.结论在耦合效应和动态冲击载荷的综合作用下,正六边形外接填充圆形蜂窝结构的动态力学性能较其他3种结构更为优异;随着蜂窝壁厚和冲击速度的增加,正多边形外接填充圆形蜂窝结构的承载能力和吸能能力都得到增强.     

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。     

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.     

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。      

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。     

两种二级铝蜂窝结构缓冲吸能特性研究

该文对二级串联式铝蜂窝结构和二级组合式铝蜂窝结构的缓冲吸能特性进行比较,从而实现对铝蜂窝缓冲吸能结构装置优化设计。通过准静态异面压缩实验,对两种不同正六边形胞元的铝蜂窝进行测试,分别得到这两种二级铝蜂窝结构的压缩变形过程和应力响应曲线,并对其变形机理进行分析。实验结果表明,二级串联式铝蜂窝和二级组合式铝蜂窝均能实现梯度平台应力响应,这有利于二级缓冲吸能结构的工程应用。此外,对于单轴压缩,二级组合式铝蜂窝的嵌入过程只有一个应力峰值并且其能达到更高的压实程度,但是峰值应力值较大,有待进一步优化。在吸能特性方面,与同一尺寸的二级串联式铝蜂窝缓冲器相比,组合式铝蜂窝缓冲结构的单位体积吸能效果稍强,尤其是单位质量吸能效果更好,可为缓冲吸能结构的优化设计提供新的选择方式。