负泊松比效应锚索的力学特性及其在冲击地压防治中的应用研究

冲击地压发生强度、危害程度及频次呈急剧增加趋势,现有支护材料无法满足冲击力作用下巷道防护的要求,基于负泊松比材料的特殊力学特性,结合井下巷道冲击大变形控制的需求,研发了具有负泊松比效应新型高恒阻大变形锚索。采用室内力学实验和现场爆破模拟冲击试验相结合的方法,对新型锚索的防冲力学特性进行了研究,结果表明恒阻锚索能够在静力拉伸作用下产生滑移拉伸变形的同时保持350 kN左右的恒定阻力,多次落锤冲击动力作用下,能够通过保持恒定阻力并产生拉伸变形来吸收冲击能量。以沈阳红阳三矿1213回风联络巷为工程背景,提出了现场采用爆破形式模拟冲击地压的现场防冲方案,试验表明高恒阻大变形锚索在爆炸冲击力作用下可以产生瞬间滑移变形,从而吸收爆炸产生的冲击能量,并具有保持恒定阻力的特殊力学性能;通过现场对比试验可知,在相同当量爆破冲击能量作用下,普通锚索试验段完全崩垮,恒阻锚索试验段整体稳定,验证了恒阻大变形锚索比普通锚索具有更好的抗冲击力学性能。

具有负泊松比效应蜂窝材料的面内冲击动力学性能

基于显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA,研究了面内冲击作用下具有负泊松比效应蜂窝材料的动态冲击性能。在保证胞元壁长和壁厚不变的前提下,通过改变胞元扩张角,建立了内凹六边形蜂窝模型。具体讨论了胞元扩张角和冲击速度对蜂窝材料面内冲击变形和能量吸收能力的影响。研究发现,在冲击载荷作用下,内凹蜂窝材料的面内冲击性能依赖于胞元扩张角。胞元扩张角的绝对值越大,冲击端的平台应力越高。随着冲击速度的提高,蜂窝材料表现出更强的能量吸收能力。

恒阻大变形锚杆负泊松比效应的冲击动力学分析

随着煤矿开采深度的不断增加,深部围岩的瞬时冲击明显增多,且荷载大小往往超过传统泊松比支护材料的屈服强度致使支护失效。而具有高支护阻力和大拉伸量的新型恒阻大变形锚杆已在静力作用下验证了其具有负泊松比效应,能良好的满足井下巷道冲击大变形控制的需求。为了研究恒阻大变形锚杆在动态冲击下的防冲力学特性,通过自主研发的恒阻大变形锚杆霍普金森拉杆冲击拉伸实验系统对某批次恒阻大变形锚杆进行了动态冲击拉伸实验。实验结果表明该锚杆能够保持恒定阻力产生结构变形来吸收冲击能量,并表现出了良好的负泊松比效应,进而验证了恒阻大变形锚杆比传统锚杆具有更好的动态防冲性能。

具有负泊松比效应的聚烯烃共混物

实验证实用共混法制备的特殊聚烯烃共混物是一种拉伸膨胀材料 (Auxetic) ,测试发现共混物具有明显的负泊松比效应 ,所获得的最稳定体系可以获得 -1 4的泊松比值 ,比目前文献报道的数据减小了 2 0 0 %.采用SEM观察了共混体物拉伸前后的微观结构 ,推断负泊松比效应的产生是由于材料内部发生了空化作用的结果 。

具有负泊松比效应经编织物的制备及其力学性能

负泊松比效应材料结构具有优良与独特的力学性能,而针织结构是制备负泊松比效应材料的最佳结构之一,为此,对经编机上生产负泊松比效应织物的组织结构和力学性能进行了研究。首先,对负泊松比效应织物的结构进行设计,确定其编织工艺,并在KS4特里科经编机上进行上机编织操作;然后,对织物分别从0°、45°、90°和135°方向进行拉伸性能试验,通过绘制不同方向的应力与应变曲线及泊松比与应变曲线研究其力学性能,同时分析了几种织物不同方向上拉伸的最终破坏形态。结果表明,不同织物在不同方向上存在力学性能差异。

负泊松比效应防护结构抗爆抗冲击性能影响因素

研究了宏观负泊松比效应蜂窝夹芯结构胞元壁厚、胞元层数和胞元泊松比等参数对弹体侵彻及水下抗爆等防护性能的影响.模拟弹体在空气中对宏观负泊松比蜂窝夹芯舰船防护结构的侵入和穿透过程,以及蜂窝夹芯防护结构在水下爆炸冲击载荷作用下的破坏形式.计算结果表明:单纯依靠结构性的被动防御无法应对高速或超高速弹体的侵彻问题;负泊松比效应蜂窝夹芯防护结构较传统防护结构具有良好的水下抗爆性能,且其水下抗爆性能随蜂窝胞元层数和胞元泊松比的增大而增强.

基于折叠结构的负泊松比纬编针织物设计

为了进一步开发具有实际意义的负泊松比针织物,并探讨工艺参数对负泊松比效应的影响,基于折叠结构对负泊松比纬编针织物进行设计。根据产生负泊松比效应的折叠结构原理建立几何模型,并推导出各几何参数与负泊松比值间的关系;分别改变花型针数和行数的比值、线圈长度两种工艺参数,使用电脑横机花型软件对负泊松比纬编织物进行设计并织造;对各织物进行负泊松比测量并分析测量结果,探讨工艺参数与几何参数之间的联系。结果表明:张角θ是影响负泊松比折叠针织物的重要几何参数,因为花型针数和行数的比值、织物线圈长度两种工艺参数的变化都使张角θ改变,从而导致负泊松比值的变化。

新型三维负泊松比蜂窝结构设计与力学性能研究

负泊松比蜂窝结构具备优良的力学性能、出色的能量吸收能力和轻量化特性,使其在减振降噪、抗爆抗冲击等领域中具有重要应用价值,可广泛应用于舰船高性能结构设计中。本文基于典型二维内凹六边形设计了一种三维度均具备负泊松比效应的新型蜂窝结构。利用其构型的高度对称性对结构受力模型进行简化,基于Timoshenko梁理论构建了该结构在准静态载荷作用下的等效力学模型。通过对比理论解、有限元结果与试验结果三者,验证了所建立的新型负泊松比蜂窝结构力学模型的合理性,为该新型结构力学性能的预测提供了一种便捷且较为准确的方法。此外,进一步分析了三维负泊松比蜂窝中微观胞元各几何参数对结构整体性能的影响。结果表明,通过对胞元几何形状的针对性优化可完成对其力学性能的控制,为后续该型结构的实际应用提供了理论依据。

负泊松比效应多孔骨植入体疲劳特性研究

目的基于拉胀单元设计的多孔骨植入体具有负泊松比效应,拥有与骨组织相近力学特性的同时具备良好抗拔出性能。因在宿主体内承受复杂的生理载荷,骨植入体需具备良好的抗疲劳性能,从而为骨组织修复过程提供持续的力学支撑。对负泊松比效应多孔骨植入体在拉-拉循环载荷下的疲劳特性展开探究。方法设计相同孔隙率的拉胀多孔试样和非拉胀多孔试样,以Ti6Al4V粉末为原料、采用选择性激光熔融工艺制备。

不同速度下负泊松比弧形结构的变形行为

高孔隙率的负泊松比蜂窝结构在能量吸收的过程中往往伴随剧烈的应力波动和显著的峰值应力,极易造成蜂窝结构的局部损坏,影响能量的连续吸收。为了减少局部破坏的产生,基于传统内凹六边形蜂窝胞元设计了一种反对称的弧形胞元,并通过不同的阵列方向,得到了2种新型反对称负泊松比弧形蜂窝结构。采用准静态压缩试验和有限元模拟的方法,探究了速度梯度对新型反对称弧形蜂窝结构模型的整体变形模式,不同层水平应变分布,变形机理,以及抗冲击性的影响。研究结果表明:不同于传统负泊松比蜂窝模型中出现大量的局部密实化区域,新型反对称负泊松比弧形蜂窝结构中局部密实带明显减少,结构中多层胞元组成的变形区域同时参与变形,整体表现出十分稳定的变形模式。这与最大水平应变的提高以及新型蜂窝结构抗冲击性的增强密切相关,特别是在中速模式下,新型反对称弧形蜂窝模型抗冲击性明显增强,冲击载荷效率达到78%,远高于传统蜂窝模型43%的冲击载荷效率;此外,反对称弧形蜂窝结构胞元还带动了相邻胞元之间的胞壁发生向上弯曲来抵抗弯矩。在低速模式下,2种新型反对称弧形蜂窝模型的最大水平应变分别提高了100%、36%;在中速模式下,2种模型均提高了39%。

具有负泊松比效应的2D碳纳米结构设计及其性能的理论计算研究

本文利用第一性原理PBE密度泛函理论计算的方法设计了一种由炔基链、吡啶环及少量氢原子组成的具有内凹六边形结构单元的新型理想二维碳纳米结构,并对其平面内负泊松比效应等力学性能和光学性能与电子结构进行了预测.计算表明,该2D材料具有较好的结构稳定性和特殊的力学性能.当将该2D结构在面内(bc面)沿c方向压缩时,其在b方向收缩;当沿c方向拉伸时,其在b方向伸长,即该2D结构同样具有期望的负泊松比效应.材料的泊松比为-3.26;将该2D结构沿b方向拉伸时,c方向将随之伸长;沿b方向压缩时,c方向将随之收缩.沿b方向拉伸或压缩时,泊松比约为-1.951.即该2D材料在面内具有非常显著的负泊松比效应.此外,该2D材料表现出半导体材料的电子结构特征和良好的光反射和折射性能.希望本工作能为具有本征负泊松比效应和优良电子与光学功能的理想二维碳纳米材料的开发提供一种理想的结构设计策略.

负泊松比蜂窝材料的动力学响应及能量吸收特性

针对传统正方形蜂窝,通过用更小的双向内凹结构胞元替代原蜂窝材料的结构节点,得到了一种具有负泊松比特性的节点层级蜂窝材料模型。利用显式动力有限元方法,研究了冲击荷载作用下该负泊松比蜂窝结构的动力学响应及能量吸收特性。研究结果表明,除了冲击速度和相对密度,负泊松比蜂窝材料的动力学性能亦取决于胞元微结构。与正方形蜂窝相比,该负泊松比层级蜂窝材料的动态承载能力和能量吸收能力明显增强。在中低速冲击下,试件表现为拉胀材料明显的"颈缩"现象,并展示出负泊松比材料独特的平台应力增强效应。基于能量吸收效率方法和一维冲击波理论,给出了负泊松比蜂窝材料的密实应变和动态平台应力的经验公式,以预测该蜂窝材料的动态承载能力。本文的研究将为负泊松比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。

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。

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。

负泊松比安全带织带乘员碰撞保护性能的FE仿真

为减轻汽车碰撞事故中安全带可能造成的乘员伤害,提出了具有负泊松比(NPR)特性的安全带织带的概念。建立了包含人体胸部简化模型的织带性能仿真有限元模型。对比了NPR织带与传统织带的乘员保护效能;研究了泊松比、摩擦因数对NPR织带保护效能的影响;Madymo假人碰撞仿真,验证了NPR织带的有效性。结果表明:与传统织带相比,NPR织带能有效减小乘员胸部压缩变形量;泊松比越小,保护效能越佳;而胸部与织带间的摩擦不利于NPR织带保护效能的发挥。

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。

循环拉伸载荷对负泊松比纱力学性能的影响

为研究负泊松比纱力学性能和膨胀效应的稳定性及有效性,获得负泊松比复合纱应用于运动防护材料时的评价依据,通过设置定伸长循环拉伸模式,根据形态结构和径向应变的原位测试和记录,解析负泊松比纱力学性能的疲劳失效规律,以研究复合纱结构和负泊松比性能的有效性。结果表明:在定伸长循环拉伸作用下,负泊松比纱的弹性回复性较好;轴向应变较大时,涤纶长丝的塑性变形会使得复合纱整体结构散乱并出现线圈。增加循环拉伸次数,不利于复合纱保持稳定的负泊松比性能;当循环拉伸次数达到20次时,复合纱的泊松比减小至零,即塑性变形积累引起负泊松比结构和性能失效。在复合纱弹性应变处于范围内且小于20次的重复拉伸作用下,复合纱的形态结构和膨胀效应基本稳定有效。选材时综合考虑弹性伸长性能和模量,可以有效改善负泊松比复合纱的结构破坏和性能失效。

负泊松比镁合金气管支架的生物力学研究

目的具有负泊松比效应的植介入医疗器械逐渐备受关注。对具有负泊松比效应的镁合金气管支架与气管的相互作用规律进行探索,以揭示该类型支架的生物力学特征。方法建立包括气管软骨和膜壁等组织在内的具有详细解剖结构的气管三维模型,设计并建立具有拉胀结构与非拉胀结构的镁合金气管支架,计算验证拉胀结构支架的负泊松比效应。

一种正、负和零泊松比相互转换的新策略

针对正、负和零泊松比值难以调节的问题,本文基于曲杆/板组成的内凹式十边形多孔结构,提出了一种转换策略。采用数值模拟和实验相结合的方法验证了在不同胞壁曲率下,结构的泊松比不同(范围包括正、负和零)。研究发现:结构的泊松比绝对值随着有效真实应变的增大而逐渐减小,随后出现了相反的泊松比值。对这种现象进行了分析,并提出了曲率效应影响机制。