负泊松比曲边内凹蜂窝结构的面内冲击动力学数值研究

利用数值方法研究了具有负泊松比效应的可变弧角曲边内凹蜂窝结构的面内冲击动力学性能,讨论了冲击速度和弧角对曲边内凹蜂窝结构的变形模式与吸能能力的影响。研究结果表明:改变冲击速度和弧角的大小会影响曲边内凹蜂窝结构的变形失效模式;当冲击速度较高时,蜂窝结构内的应力波动范围较大,结构的体能量吸收值随弧角的增大逐渐增大;当冲击速度较低时则不存在上述现象。当弧角大于120°时,曲边内凹蜂窝结构具有负泊松比效应,该结构的吸能能力高于其他弧角所对应的正泊松比蜂窝结构的吸能能力,该现象与冲击速度无关。

负泊松比可变弧角曲边内凹蜂窝结构的力学性能

在环形蜂窝结构的基础上,提出了一种具有负泊松比效应的可变弧角曲边内凹蜂窝结构。分析了刚架结构的弯曲内力,利用能量法给出了曲边内凹蜂窝结构的横/纵向等效弹性模量和等效泊松比的解析公式。当弧角为180°时,所提出的曲边内凹蜂窝结构可退化为已有的环形蜂窝结构。所得解析解、已有理论解和有限元结果三者有较好的吻合度,表明了所提出方法的有效性。基于所得解析解讨论了微结构几何参数对等效弹性模量和等效泊松比的影响,研究结果表明:等效弹性模量受弧角的影响显著;等效泊松比受弧角、竖直壁板长度和两竖直壁板间宽度的影响较为明显,而受连接部分长度的影响不明显。

双向角度梯度内凹蜂窝结构的面内倾斜冲击性能研究

基于典型内凹蜂窝负泊松比蜂窝结构,设计了一种具有角度梯度分布的新型内凹负泊松比蜂窝结构,建立了双向递增和双向递减两类角度梯度变化的内凹蜂窝有限元模型。对典型负泊松比蜂窝结构和双向角度梯度蜂窝结构的吸能效果进行了准静态试验研究对比。通过有限元软件ABAQUS/Explicit,研究了面内倾斜冲击载荷作用下两类角度梯度内凹蜂窝结构的变形模式、平台应力和能量吸收特性。计算结果表明,当冲击倾角为2°时,角度梯度值为3°的新型角度梯度蜂窝结构具有较高的平台应力和良好的能量吸收模式。

X型内凹蜂窝结构的拉伸力学行为研究

基于内凹机制,将星型和内凹六边形的微结构相结合,设计一种新型内凹蜂窝结构模型(简称X型结构)。针对该结构模型,给出了其相对密度,以达到轻量化的目的。采用有限元软件Abaqus对该结构进行轴向拉伸力学行为研究,得到了该结构的尖端内凹角、单元壁厚度、外夹角以及材料属性对等效弹性模量和泊松比的变化规律。数值结果表明:影响结构的重要因素是外夹角,随着外夹角在一定范围内的增加,使得其等效弹性模量和泊松比随之增大,在外夹角达到约67°时,该结构为零泊松比结构;当单元壁厚度越大,结构的负泊松比效应越明显,等效弹性模量也越来越大;当尖端内凹角越小,负泊松比效应越强。该研究结果可为新型负泊松结构的优化设计提供新的借鉴思路。

负泊松比曲边内凹同心蜂窝结构冲击吸能特性研究

基于传统内凹六边形蜂窝,引入机械超材料设计理念构造了一种曲边内凹蜂窝结构,并结合仿生学原理,设计了双同心及三同心蜂窝结构.在不同冲击速度载荷下对各种蜂窝结构的变形模式和吸能特性进行了比对分析,结果表明:相比于单胞数蜂窝结构,多胞数同心蜂窝结构的变形模式存在差异,在低、中、高冲击速度下均具有更高的平台应力和比吸能,且随着同心胞数增加,抗压溃能力和吸能能力越强.结合功能梯度材料设计理念,构造了四种具有同心梯度的蜂窝结构,对其在低速下的变形模式和吸能效果进行了分析,发现同心梯度的分布顺序对蜂窝结构的变形模式和吸能特性影响较大,单向逆同心梯度设计的蜂窝结构表现出较好的能量吸收特性,通过同心梯度分布设计,能够调控蜂窝结构的变形模式和吸能效果.

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。

船用泡沫填充负泊松比蜂窝平压特性分析

为提高制备工艺性能,提出一种基于层叠构型的内凹负泊松比蜂窝结构的构型及制备方法,并对泡沫填充负泊松比蜂窝结构开展平面压缩试验研究。结果表明:泡沫填充内凹负泊松比蜂窝结构在受压时拥有较高的比吸能率,是一种吸能特性优良的复合构型。研究成果为该新型复合结构构型在船用舷侧防撞吸能结构的应用奠定理论基础。

三维编织不对称内凹六边形复合材料吸能探究

利用三维编织技术制备了内凹六边形结构预制体,对三种不同内凹角的内凹六边形蜂窝状复合材料进行了压缩测试,分析了能量吸收性能和损伤变形演变。研究表明,三维编织内凹六边形蜂窝状复合材料在压缩过程中都产生层层单胞折叠压缩的变形演变趋势,载荷-位移曲线拥有较长的压缩平台期,表现出优异的能量吸收性能。内凹角度对内凹六边形复合材料吸能性能有明显影响,内凹角度50-50的试样的比吸能和平台载荷大于内凹角度60-60的试样;结构的不对称性可以提高内凹六边形复合材料的吸能性能,内凹角度50-60的不对称内凹六边形复合材料的比吸能和平台载荷是三种结构中最大的。

弧边内凹蜂窝负泊松比结构的力学性能

提出一种可变弧边内凹多胞蜂窝负泊松比结构。利用能量法得到了二维结构的等效泊松比和等效弹性模量的解析公式,讨论了弧角对等效泊松比和等效弹性模量的影响,解析解与有限元结果吻合较好,说明了该方法的有效性。利用ABAQUS研究了三维结构的冲击动力学特性,分析了蜂窝结构受冲击时的变形失效模式,讨论了冲击速度、结构应变和曲边弧角对动应力-应变曲线、能量吸收率和平台应力的影响规律。所得结果为该类机械超材料的冲击变形失效和吸能效果研究提供了力学依据。