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。

基于内压法的锆合金薄壁管泊松比试验研究

锆合金包壳管在核电应用中存在变形及破裂等问题,严重影响核电运行安全。为了更好地评价锆合金包壳管等薄壁管材受内压时的变形性能,给燃料组件的设计、计算、验证提供参考,设计基于内压法的泊松比测试方法。根据薄壁圆筒受均匀内压时的应力解,推导出基于内压加载的薄壁管泊松比理论公式。按照该理论公式设计合理的内压试验方法,采用该方法对N36锆合金薄壁管开展20~400℃下的泊松比试验,同时通过拉伸法进行相应温度下的对比试验。结果表明,内压试验方法可以有效获得不同温度下锆合金薄壁管的泊松比,且内压试验方法得到的锆合金薄壁管泊松比与拉伸法结果较为一致,相对误差均在2%以内。试验结果同时表明:N36锆合金薄壁管的泊松比随试验温度的增加呈增大趋势。

负泊松比局域共振地震超材料减隔振特性研究

地震是严重危害人类的自然灾害之一,极具突发性和毁灭性,地震波频率大多位于0~20 Hz,属于典型的低频波,而传统隔振结构对低频波的隔离效果差。近年来,随着局域共振型地震超材料隔振屏障的提出,为实现低频地震波的隔离提供了新思路,然而针对超低频地震波的隔离,仍存在挑战。为此,针对传统局域共振地震超材料未考虑其本身的吸能特性,结合负泊松比材料具有良好的能量吸收特性,创新性提出了负泊松比局域共振地震超材料隔振屏障,实现了超低频地震波的隔离。基于周期性理论,利用COMSOL Multiphysics探究其带隙形成机理及其减振的特性。结果表明:通过结合局域共振地震超材料及负泊松比材料,对共振器进行连续周期性排列,得到的新型地震超材料带隙为0.612~13.350 Hz,探明了其带隙形成机制,实现了利用小尺寸隔振屏障得到超低超宽隔振频带;负泊松比材料的泊松比值、密度及弹性模量对频率带隙具有一定影响,实际工程中应选择负泊松比值、密度及弹性模量均较小的负泊松比材料。针对不同主频范围的实际地震波隔振效果的研究发现,对主频大于0.612 Hz以上的地震波具有显著的隔振效果。所提出的负泊松比局域共振地震超材料实现了利用小尺寸隔振屏障对超低频地震波的隔离,在地震波隔离的应用上具有广阔的前景。

新型零泊松比蜂窝结构的等效弹性参数分析

在四角星形蜂窝结构的基础上,提出了一种新型零泊松比蜂窝结构。采用结构基因方法分析研究了蜂窝结构的等效弹性参数,并对结果进行了精细化模型有限元仿真验证;进而分析了蜂窝结构单胞尺寸参数对于结构等效弹性参数的影响。结果表明,结构基因法在进行蜂窝结构等效弹性参数预测时具有较高的正确性与效率性;蜂窝结构尺寸参数对结构的等效弹性参数影响很大,与原材料模量相比,蜂窝结构的面内模量会降低(1~2)个数量级。最后,通过与四角星形蜂窝结构进行对比发现,新型蜂窝结构可以保证较为稳定的零泊松比特性,而且在面内变形能力以及抵抗面外变形能力优于四角星形蜂窝结构,具有在变体飞机中的良好应用前景。

仿枪虾虾螯纵向混合负泊松比结构设计与耐撞性研究

为提高汽车安全防护结构耐撞性,以枪虾虾螯(大螯)作为仿生原型,通过生物实验提取虾螯微观结构,设计了24种仿生混合负泊松比吸能结构。以质量比吸能(SEA)、结构平均压溃效率(CFE)、初始峰值载荷(IPF)作为评价结构耐撞性的主要指标,借助经过验证的有限元模型对设计结构仿真模拟,经过结果数据分析确定影响结构耐撞性指标的关键参数a(胞元内凹深度),结合实际工况利用加权组合综合评价方法选出最优耐撞性结构。结果显示,当a=6.80 mm时的BCDA型混合结构耐撞性能最优,优化后SEA=3.21 kJ/kg,IPF=8.58 kN,CFE=31.29%。与单一胞元结构相比,优化后混合模型IPF最高降低35.24%,SEA最高提升35.72%,CFE有所下降,最多降低47.20%。

基于电测法测量弹性模量和泊松比的实验研究

测量材料的弹性模量和泊松比是材料力学实验的一项重要实验项目。为了丰富材料力学实验教学手段和教学内容,把理论计算、有限元仿真技术和电测法测试技术有机地融合在一起。分别通过电测法、ABAQUS软件模拟和理论计算方法得到低碳钢的弹性模量和泊松比。结果表明:模拟结果和理论计算结果几乎相等,但是电测法实验测试结果与理论计算结果之间的误差相对较大,主要是由于电阻应变片在试样表面的粘贴质量不高和试样的几何尺寸测量不精确造成的。

星型负泊松比蜂窝夹层板的低速冲击动态响应分析

将星型负泊松比结构作为夹层板的夹芯层,建立夹层板的动力学模型,推导出夹芯层的等效弹性参数。基于Hertz理论、一阶剪切变形理论和Hamilton原理推导出夹层板的运动方程,应用Navier法对其进行求解。通过两自由度弹簧-质量模型获得冲击接触力,运用Duhamel积分计算出夹层板受小球冲击后的横向位移。与已经发表的论文中对板接触力和横向位移的预测结果进行对比,验证理论分析模型的有效性。同时对比了星型负泊松比夹层板与负泊松比内凹六边形蜂窝夹层板的低速冲击响应,探讨了星型负泊松比蜂窝夹层板的各项参数对冲击性能的影响。结果显示:随着冲击速度的增大,夹层板的最大接触力和最大横向位移增大,冲击响应持续时间缩短;夹层板的厚度比增大,夹层板的冲击性能增强;胞元的边长比减小,夹层板的冲击性能增强;胞元内凹角度增大,夹层板冲击性能提升。本文可为负泊松比超材料结构和夹层板的抗冲击性能研究提供理论参考。

泡沫填充负泊松比蜂窝夹层结构的抗爆性能数值模拟

为研究爆炸荷载作用下泡沫填充负泊松比蜂窝夹层结构(Foam-filled Auxetic Honeycomb Sandwich Structure,FAHSS)的动态响应及其对混凝土板的防护性能,利用有限元软件,考虑应变率对材料动态本构特性的影响,建立FAHSS在爆炸荷载下的有限元数值模型。通过已有负泊松比蜂窝夹层结构(Auxetic Honeycomb Sandwich Structure,AHSS)的爆炸试验对数值模型进行验证,基于验证模型分析爆炸荷载作用下FAHSS的损伤破坏规律、能量吸收特性及其对混凝土板的应力分布影响,并与AHSS和FSS(Foam Sandwich Structure)进行对比。在此基础上综合考虑聚氨酯泡沫材料密度、爆炸比例距离及填充材料等因素对FAHSS抗爆性能的影响。研究结果表明:FAHSS中的泡沫填充降低了负泊松比蜂窝夹层结构的破坏程度;随着聚氨酯泡沫材料密度的增加,FAHSS中的泡沫材料吸收能量增加;随着比例距离的增加,FAHSS的破坏程度逐渐降低,破坏形态也由局部破坏转变为整体破坏。

基于参数化建模的负泊松比微结构性能分析与优化

为提高分析微结构单胞结构参数对其力学性能影响的效率,提出一种基于ABAQUS二次开发的参数化建模方法。该文以双箭头负泊松比微结构为研究对象:基于ABAQUS二次开发设计参数化建模的图形用户界面(GUI),且采用3D打印方法制造样件开展准静态压缩试验,以验证上述参数化平台所建立有限元模型的准确性;基于此,建立峰值力和比吸能的响应面模型,采用NSGA-Ⅱ多目标遗传优化算法,以峰值力最小、比吸能最大为目标,以θ_(1)、θ_(2)、T_(L)、T_(M)为设计变量,对微结构的冲击性能进行优化,获得最优的微结构拓扑参数。与优化前微结构的冲击性能进行对比分析,结果表明峰值力降低了14.36%,比吸能增加了33.72%。

关于负泊松比的材料力学课程教学拓展与探索

泊松比是材料力学课程教学中的重要力学概念与材料弹性常数之一。本文对现有材料力学课程中泊松比教学内容进行了拓展和补充,引入了负泊松比效应概念,并介绍了常见的负泊松比材料及其力学性能优势。重点基于内凹蜂窝超材料,详细介绍了实现负泊松比效应的超材料力学理论分析及其教学实践;并借鉴虚拟仿真实验概念,应用有限元数值分析方法,对超材料的负泊松比效应进行仿真分析与讨论,直观地展示了超材料的力学变形模式及其负泊松比效应。从而以此为切入点,加深学生对弯曲内力、挠度、应变和泊松比等重点知识的理解与实践运用。

爆炸载荷下正弦曲边三维负泊松比夹芯板的动态响应和吸能特性

具有优异能量吸收特性的负泊松比结构在抗爆炸冲击防护领域有广阔的应用前景。为进一步提升夹芯板的抗爆性能,提出了一种在X、Y方向力学特性相同的正弦曲边三维负泊松比夹芯板用于防爆保护。采用数值模拟方法,对夹芯板在空爆载荷下的动态响应和吸能特性进行了研究,分析了夹芯板塑性拉伸和弯曲对背面板变形模式和轴向偏转分布的影响,并探究了爆炸距离、炸药质量、面板厚度和芯层关键结构参数对夹芯板变形和能量吸收的影响。结果表明,在空爆载荷下,夹芯板的动态响应过程可分为芯层压缩、整体变形和自由振动3个阶段。后面板在纵向(X方向)和横向(Y方向)上的抗变形能力无明显差异。随着炸药质量增加和爆炸距离减小,夹芯板的后面板中心位移增加,芯层吸能占比减小。此外,采用薄前面板和厚后面板的夹芯板可以提高芯层的吸能占比。当分别增加相同的前、后面板厚度时,前面板厚度对减小后面板中心位移的影响更显著。当芯层厚度从0.6 mm减小至0.2 mm时,后面板中心位移减小49.0%,总能量吸收增加86.7%;芯层振幅从0.2 mm增大至1.0 mm时,后面板中心位移减小20.7%,总能量吸收大致不变;芯层高度从10 mm增大至18 mm时,后面板中心位移减小88.3%,总能量吸收增加56.9%;芯层宽长比从0.56减小至0.2时,后面板中心位移减小39%,总能量吸收增加47.4%。

新型蝙蝠型负泊松比微结构非充气轮胎设计

为解决传统充气轮胎易爆胎、易刺破等问题,提出一种新型蝙蝠形微结构(bat-shaped cellular structure,BSCS)非充气轮胎。首先,推导了BSCS微元胞的相对密度、单位质量吸能和峰值力的理论力学模型,并开展准静态压缩试验验证了力学模型和有限元仿真模型的准确性。然后,建立了BSCS非充气轮胎有限元模型,并利用准静态压缩试验验证了轮胎有限元模型的准确性。最后,对非充气轮胎开展接地性能、三向刚度、模态分析、侧偏特性和稳态滚动的仿真分析,其中径向刚度为151.37 N/mm、侧向刚度为281.88 N/mm、纵向刚度为686.05 N/mm。仿真结果表明,所提出的BSCS非充气轮胎具有优异的力学承载性和可靠性,为非充气轮胎的设计提供了新的思路。

钢筋混凝土的负泊松比设计与抗高速冲击性能

为增强钢筋混凝土的抗高速冲击性能,对钢筋混凝土的内部骨架进行负泊松比设计,得到两种内凹角数量不同的六肋及星型钢筋混凝土。利用霍普金森压杆试验对不同类型的钢筋混凝土进行抗高速冲击性能测试,并结合数字散斑相关方法对其场变化及微观泊松比进行分析,得到内凹角数量对钢筋混凝土破坏形态、承载力及耗能能力的影响规律和机理。结果表明:六肋和星型钢筋混凝土在抗高速冲击作用下出现了负泊松比,分别为-0.50和-1.00;从应变场来看,六肋和星型钢筋混凝土的最大应变均出现在内凹角附近,且以内凹角为中心向四周逐渐减小;随着钢筋结构内凹角数量的增加,钢筋混凝土的变形能力和能量耗散能力显著增强。单位体积内六肋和星型钢筋混凝土的耗能分别为1.76×10^(5)和1.86×10^(5) J/m^(3),是方形钢筋混凝土的1.17倍和1.23倍,表明负泊松比钢筋混凝土的耗能能力随钢筋内凹角数量的增多而增强。

可调负泊松比蜂窝结构在变面积机翼上的应用

为提高变面积机翼的性能,实现光滑柔性的无缝变形,提出了一种新型的基于负泊松比蜂窝结构的变面积机翼设计。首先,通过将负泊松比蜂窝结构单元运用到变面积机翼的设计中,利用负泊松比单元的拉胀特性,可以使机翼结构在发生展向变形的同时,发生弦向上的变形,由此实现更大的面积变化。然后,为实现对变面积机翼结构的变形轮廓控制,设计了一种新型的局部负泊松比可调的蜂窝结构单元,通过有限元仿真对其相对弹性模量和泊松比的调控规律进行了分析。最后,通过对机翼结构中的蜂窝结构单元参数优化设计,验证了其对变面积机翼结构的变形轮廓控制能力。研究结果表明,当机翼结构沿展长方向变形量为10.0%时,变面积机翼实现了23.9%的面积变化,且机翼结构变形后轮廓与目标轮廓吻合较好,形状误差仅为1.09%。同时机翼结构具有良好的承载性能,对于使用7075铝合金材料的变面积机翼结构,在承受15 kPa的气动载荷时,最大面外位移为0.645 mm。初步验证了基于负泊松比蜂窝结构的变面积机翼设计的可行性,为变面积机翼结构的设计提供了一种新思路。

反四手性负泊松比蜂窝面外双曲变形研究

针对反四手性负泊松比蜂窝面外变形快速求解问题,提出了一种利用数值拟合进行快速求解的方法。首先利用有限元分析软件对蜂窝的面外变形进行了求解,把结果数据分为训练数据及验证数据;然后使用最小二乘法对求解结果拟合,针对蜂窝面外变形的特点及量纲分析,构造了一个3参数的拟合方程,得到蜂窝对称轴上的拟合曲线。接着对求解结果及蜂窝尺寸参数进行二次拟合,得到蜂窝尺寸和变形曲线的关系,然后利用该关系对其他尺寸下蜂窝的变形曲线进行预测,并与验证数据进行对比。此后,对两段式非均匀蜂窝的面外变形也进行了仿真求解,利用均匀蜂窝的拟合结果及Logistic函数构造拟合函数进行拟合,并用拟合结果在其他尺寸下蜂窝的变形与验证数据进行对比。结果表明,拟合方程预测结果与仿真结果吻合良好。该数值方法可以运用于反四手性蜂窝变形预测与设计。

利用H-κ-c方法研究丽江—小金河断裂两侧的地壳厚度与泊松比

本文基于研究区不同台网布设的156个地震台站记录的远震波形数据,提取台站下方径向接收函数,利用H-κ-c方法获取了丽江—小金河断裂两侧的地壳厚度与泊松比分布情况.结合前人的研究成果,分析讨论了丽江—小金河断裂两侧的地壳物质组成特征、孕震环境及未来的地震危险性.研究区地壳厚度从西北的~70 km逐渐向东南方向递减至~39 km,大致以27°N为分界线,以北地壳较厚,以南地壳较薄.盐边—攀枝花地区莫霍面较周围地区明显上隆.乡城—得荣—香格里拉、冕宁、丽江—鹤庆—宁蒗以及盐边—攀枝花—德昌地区均为高泊松比(σ>0.28);木里断裂、盐源断裂与金河—箐河断裂之间的区域、以及澜沧江断裂、程海断裂所在的地区呈低泊松比(σ<0.26).结合高热流、低S波速度等特征,我们认为青藏高原侧向挤出的下地壳塑性物质导致了乡城—得荣—香格里拉和冕宁地区的地壳增厚与高泊松比,并可能沿着近NS或NW走向的断裂挤入丽江—鹤庆—宁蒗地区.考虑低热流、高泊松比、高密度以及高P波速度等的特征,我们推测盐边—攀枝花地区的莫霍面局部上隆很可能与二叠纪地幔柱活动有关,岩浆的底侵作用导致了地壳的减薄,冷却固结后形成了盐边—攀枝花—德昌地区的地壳基底铁镁质/超铁镁质层.以盐边—攀枝花地区为中心的峨眉山大火成岩省内带阻挡了青藏高原的下地壳流动,使其沿着丽江—小金河断裂向西南方向转折.大多数MS≥5.0级的历史地震都发生在莫霍面陡变带上以及高泊松比周围或高、低泊松比过渡地区.丽江—小金河断裂的木里至冕宁段及该断裂与大具断裂交汇处位于高、低泊松比交界地区,根据S波速度高梯度带、断层的强闭锁性、历史地震空段区以及较长的大震离逝时间,推测这两段可能具备发生中强以上地震的孕震环境,需要重点关注其地震危险性.

具有3D负泊松比结构填充的新型吸能盒设计与耐撞性研究

针对现有吸能盒结构形式单一、缓冲吸能效果有限的问题,在现有研究的基础上,将3D负泊松比结构填充到薄壁圆管中设计一种填充圆管型吸能盒,探索汽车吸能盒结构的新构型设计,改善吸能盒的缓冲吸能性能。首先,建立了3D负泊松比结构填充方管和圆管型吸能盒的几何模型,利用落锤冲击实验对3D打印加工的吸能盒样件进行了低速冲击,并建立了结构的低速冲击有限元模型,研究结果表明,结构的落锤实验结果与低速冲击仿真结果吻合较好,证明了结构低速冲击有限元模型的准确性;随后,基于有限元模型,对比分析了填充型方管、填充型圆管和原始方管吸能盒的耐撞性能,研究发现,相较于原始方管吸能盒和填充方管型吸能盒,填充圆管型吸能盒具有更低的初始峰值力、更高的平均碰撞力,综合耐撞性能更优异;最后,结合响应面方法和NSGA-Ⅱ算法,对填充圆管型吸能盒的耐撞性进行多目标优化,优化结果表明,优化后吸能盒的比吸能提高了14.7%,初始峰值应力降低了18.5%,综合耐撞性能得到了明显改善。该研究为负泊松比结构在汽车吸能盒上的应用探索提供了新的思路。

一种增强负泊松比结构的压电俘能器的设计与分析

考虑到传统压电悬臂梁存在固有频率高,输出性能低的缺点,本文基于增强负泊松比结构设计了一种压电俘能器,在弹性基板中引入了负泊松比结构和X型肋骨。利用有限元方法建立了压电俘能器的动力学模型;通过数值方法进行了模态和压电耦合分析,并对增强负泊松比结构的俘能器进行了参数分析;搭建了实验平台,制作了压电俘能器样品,对输出性能进行验证。研究结果表明:与传统平板结构俘能器相比,增强负泊松比结构俘能器的一阶谐振频率低,输出电压和功率高,X型肋骨的加入提高了结构的刚度和非线性;相比于负泊松比结构的俘能器,X型肋骨的加入不仅改善了结构的疲劳性能,还拓宽了工作带宽。

新型零泊松比类蜂窝结构面内非线性刚度研究

几何非线性刚度研究对变形飞行器结构大变形的应用具有重要意义。为研究具有正弦波纹壁的零泊松比类蜂窝结构面内大变形时的非线性力学行为,基于非线性梁理论,考虑几何非线性建立了大变形下的非线性力学模型。利用有限元仿真验证了理论分析方法的正确性,通过参数分析讨论了几何参数对等效应力-应变曲线的影响。结果表明,随着应变的增加,结构的几何非线性造成结构的等效拉伸刚度增大;应力-应变曲线受波纹度、蜂窝角、厚度比的影响较大,受高度比影响不明显。

发泡陶瓷有约束轴向压溃特性及泊松比测量

为了揭示发泡陶瓷的力学特性,进一步验证塑性变形特征,对发泡陶瓷进行有约束轴向压溃实验。针对有约束实验中柱形压头固定和柱形压头与约束套筒共轴的问题,优化设计了一套简单实用的实验装置,包括简单夹具固定柱形压头,止推轴承钢保持架叠放垫片实现柱形压头和不锈钢套筒在实验过程中实时共轴。在有约束和无约束实验条件下,分别得出两组不同密度发泡陶瓷的屈服极限和弹性模量。根据平均屈服极限由经验公式间接计算出较小的泊松比,分别为0.1009和0.07345。对两组样品无约束组和有约束组屈服极限和弹性模量进行两组样品t检验,检验结果表明在统计学意义上发泡陶瓷的泊松比可能为0。