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。     

复合材料负泊松比格栅结构设计及力学性能评价

对复合材料负泊松比格栅新结构的设计、制备与评价进行了研究,采用有限元方法模拟了负泊松比结构单元在轴压载荷作用下的力学行为,通过热压罐成型制备复合材料负泊松比格栅结构,并评估其成型质量、蒙皮及筋条的力学性能、结构抗轴压性能。数值模拟结果表明,负泊松比格栅结构与正交格栅结构相比,变形形式从马鞍形变为波纹形,横向膨胀量降低,应力分布均匀性提升,筋条-轴线夹角θ=30°时,负泊松比格栅结构达到最优。采用热压罐成型的MT300/603碳纤维/环氧树脂负泊松比格栅试件成型质量良好,蒙皮及筋条的力学性能优异。力学测试结果表明,筋条-轴线夹角θ=30°时,MT300/603负泊松比格栅结构轴压模量为65.92 GPa,轴压失效载荷为64.65 kN。轴压失效模式为筋条节点处的蒙皮-筋条开裂。筋条-轴线夹角θ=30°的MT300/603负泊松比格栅结构抗压强度高于正交格栅结构,且力学行为呈现明显的负泊松比特征,是一种具备优异综合力学性能的新格栅结构,在航天飞行器蒙皮结构等领域具有潜在的应用价值。      

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。     

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。     

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...     

负泊松比点阵结构填充薄壁管轴向压缩行为及吸能特性

薄壁填充结构具有轻量化、高比吸能的优点,被广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通等工程领域。负泊松比结构在受到冲击时力学性能会逐渐增强,因此本文基于双箭头型负泊松比点阵提出一种新型薄壁填充管吸能结构,通过准静态压缩实验和有限元数值模拟方法研究了新型填充管在压缩载荷作用下的变形失效模式与力学响应。建立了平均碰撞力的理论预测模型,并通过有限元分析验证了模型可靠性,在此基础上研究了负泊松比点阵结构的细观设计参数对填充管抗压缩性能的影响规律。结果表明,填充管在压缩载荷作用下的失效模式为局部屈曲失效,相比于单一薄壁管与点阵结构,填充管具有更好的抗压缩性能;通过参数分析明确了通过增加胞元杆件壁厚和下支撑杆夹角,能显著提高填充管抗压缩性能,这将为后续负泊松比点阵填充结构的抗冲击优化设计提供重要参考。     

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。     

负泊松比超材料和结构

负泊松比超材料和结构具有优异的抗剪切性能、抗冲击性能、抗断裂性能、吸能隔振、渗透率可变性能、曲面同向性等力学性能,在航空航天、航海、机械自动化、生物医疗、国防军事、纺织工业等领域具有广泛的应用前景.本文从负泊松比超材料和结构的变形机理出发,综述了内凹结构、旋转刚体结构、手性/反手性结构、纤维/节点结构、折纸结构、褶皱结构、弯曲-诱导结构、螺旋纱线结构等物理模型,这些模型具有广泛的适用性,可运用于轻质夹层板、流体输送、纱线等工程应用,有利于改善结构的使用性能.最后,本文对负泊松比超材料和结构未来的挑战和在航空航天、军事等领域的应用进行了展望,指出利用负泊松比逆转了正泊松比对单轴应力引起的体积和面积变化的补偿效应可有效改善发动机叶片、深空天线以及汽车吸能盒等关键构件的抗冲击性能等,以期为负泊松比超材料和结构的推广应用提供参考.     

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。      

负泊松比材料填充矿用救生舱热力耦合冲击性能研究

矿用救生舱是煤矿瓦斯、煤尘爆炸事故时,保护煤矿工人的重要应急避险装备。需要救生舱舱体能抵抗冲击波、石块的冲击,且具有优异的隔热性能。通常设计矿用救生舱时,都是增加构件厚度或对救生舱结构进行优化,研究性能已经开发优化到了瓶颈。而该文章采用负泊松比材料填充进矿用救生舱夹层内,利用其轻质化、隔热、隔振和抗冲击性能优良的特点,提升整体救生舱的抗冲击能力和隔热能力。通过爆炸瞬态热分析、热力耦合冲击性能分析、碰撞冲击响应分析等来验证负泊松比填充矿用救生舱其优越的安全性能。     

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。     

泡沫混凝土的负泊松比设计与静载力学特性研究

拉胀材料因其特殊性能在材料领域备受重视.将负泊松比效应应用在泡沫混凝土中,可使其具备良好的力学性能与吸能效果.本试验利用化学发泡法制备了三种不同孔隙形态的泡沫混凝土,分别为闭孔泡沫混凝土、连通孔泡沫混凝土、内凹孔泡沫混凝土.利用图像法对泡沫混凝土的干密度和孔隙结构参数进行表征,通过万能试验机测试了泡沫混凝土的静态压缩强度、抗折强度,通过工业相机及数字散斑相关方法(DSCM)研究了泡沫混凝土的区域形变行为以及泊松比值.结果表明:泡沫混凝土的孔隙率、孔径及干密度与发泡剂的添加量有关,添加量越多,干密度越小,孔隙率和孔径增大;泡沫混凝土的抗压、抗折强度也与发泡剂的添加量有关,其强度随着添加量的增多而减小,但孔隙呈内凹状的泡沫混凝土具有较高的抗压强度和抗折强度,内凹孔泡沫混凝土的压缩断裂能为33.9×103 J/m3,相比闭孔泡沫混凝土提高44.9％.DSCM表明内凹孔泡沫混凝土在压缩过程中会出现明显的收缩效应,其收缩率为闭孔泡沫混凝土的37.5％,压缩期间负泊松比值最大可达-3.7.     

星型-三角形负泊松比结构的面内压缩刚度可调控特性

通过准静态面内压缩试验揭示星型-三角形结构(star-triangular honeycomb, STH)的刚度可调控特性。利用有限元模拟的方法研究非均匀壁厚STH的面内压缩刚度可调控机制,分析不同类型胞壁厚度比(t₁=t₃)/t₂及胞壁角对其面内压缩刚度的影响。结果表明,STH在面内压缩载荷下呈2个线弹性阶段,且强化刚度比初始刚度显著增大。适当地增大内凹胞壁和垂直胞壁的厚度可同时提高STH的初始刚度及强化刚度;当(t₁=t₃)/t₂>1.575后,初始刚度仍持续增大,而强化刚度反而逐渐减小,最终不再具有强化刚度阶段。胞壁角α≤30°时,增大胞壁角可提高STH的初始刚度及强化刚度,反之,初始刚度及强化刚度对应的应变随胞壁角的增大逐渐增大,而强化刚度逐渐减小并趋于消失。该研究将为可调节刚度负泊松比结构的设计提供新的思路。     

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。     

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,...     

TC4负泊松比复合结构的人工骨力学性能调控研究

目的 基于不同变形机制的负泊松比结构优化设计新型复合多孔结构样件,增加力学性能的调控维度,以满足人体骨低弹性模量的匹配要求。方法 用内凹多边形替代手性结构的圆环,以获得新型的复合胞元结构。利用选区激光熔化成形技术制备负泊松比多孔人工骨样件,通过压缩实验揭示胞元结构类型、结构参数、孔隙率对屈服强度、弹性模量的影响规律,评测不同结构样件与人体骨间的力学性能匹配程度。结果 当孔隙率为65%～85%时,复合结构样件的成形质量、力学性能基本介于手性结构的和内凹结构的之间,且与孔隙率密切相关。手性结构、内凹结构和复合结构的弹性模量分别为2.39～4.64、1.12～3.77、1.01～3.47 GPa,屈服强度分别为65.19～223.06、45.25～195.81、26.54～143.58MPa。复合结构的弹性模量随环径和内凹角度的增大而减小。当孔隙率为75%时,环径由2.4 mm变至2.0 mm,弹性模量由2.651 GPa降低至2.082 GPa。当内凹角度由85°变至65°时,弹性模量则由3.566GPa降低至1.982GPa。结论 复合胞元结构可以融合材料特性,增加调控维度,进而匹配人工...     

一种刚度可调控的负泊松比管状结构

负泊松比材料具有优良的抗压痕性、抗剪切性、曲面同向性、断裂韧性和能量吸收性等特点,受到了国内外学者的广泛关注.负泊松比管状结构作为一个新兴的研究热点,在工程和医疗领域都有着广泛的应用前景.然而,在拉伸与压缩下同时具有负泊松比效应的管状结构仍鲜有报道.由于内部周期性孔洞的存在,大多数负泊松比材料和结构具有较低的比刚度.因...     

含负泊松比超材料肋板的双层板声振特性分析

构造内六角蜂窝胞元构成的负泊松比超材料,将其作为双层板间的连接结构,基于有限元法和边界元法,对含负泊松比超材料肋板的双层板结构开展了声振分析。分析了内六角蜂窝负泊松比胞元几何特征与力学性能,设计含负泊松比肋板的双层板对其振动进行求解,并分析了胞元填充阻尼对振动的影响,结果表明双层板下面板响应相比上面板有明显衰减。控制结构总质量不变,通过调整负泊松比肋板的宽度与厚度,实现胞元等效模量的变化,进而改变肋板刚度,进行振动和辐射噪声计算。结果表明：与平板连接的双层板相比,含负泊松比肋板的双层板对振动能量有良好的吸收和衰减功能,能更好地降低面板的振动响应与辐射噪声;负泊松比肋板的板厚越小,层间结构的等效模量越低,振动与辐射声功率也越低。