增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料力学性能理论研究

前期研究工作中,基于有限元分析,作者发展了一种在大变形范围内具有可调恒定负泊松比的新型增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料.为了揭示微观结构-力学性能关系,并进一步指导超材料目标参数设计,本文在小变形框架下基于能量法建立了表征该拉胀材料等效泊松比和弹性模量的理论模型.增强六手臂缺失支柱手性拉胀材料由“Z”型手臂元件组成.“Z”型手臂可以被假设为两端简支的欧拉-伯努利梁.因此,本文首先推导了两端受集中力和力偶的任意形状欧拉-伯努利梁的应变能.然后,考虑平衡条件和变形协调条件进一步给出了材料等效泊松比和弹性模量的理论表达式.研究表明只有“Z”型梁的内外手臂比为2:1时,理论表达式才有简洁的形式.为了更好地利用所推导的理论表达,基于理论推导,本文开发了MATLAT图形用户界面(GUI).在GUI中输入可描述该超材料几何形状的独立几何参数,即可直接获取其等效泊松比和弹性模量.最后,基于理论结果,系统讨论了超材料微结构几何参数对其等效力学性能的影响,并将理论解与有限元计算结果进行了对比.结果表明,可以通过调控微结构几何参数获取大范围的目标力学性能.

基材塑性模量对手性拉胀结构拉胀性能的影响

针对两种经典手性拉胀结构(三节点反手性材料和六节点手性结构),系统考察了基体材料塑性模量对其拉胀性能(负泊松比行为)的影响.结果表明:塑性变形会抑制三节点反手性结构的拉胀性能,基体材料塑性模量越小,其拉胀性能越差;与之相反,塑性变形会促进六节点手性结构的拉胀性能,基体材料塑性模量越小,其拉胀性能越好.此外,在初始变形时,两种结构的负泊松比响应均为各向同性,但随着变形的增加,负泊松比响应转为具有旋转对称性的各向异性.