负泊松比材料的结构与性能

介绍了负泊松比材料的种类、性能、用途、微观结构、测试手段及应用前景 。

负泊松比材料研究进展

介绍了近年来材料科学的一大热点———负泊松比材料的研究概况 ,通过讨论负泊松比材料的微观结构与形变机理 ,阐述了该材料所具有的特殊物理机械性能 ,并通过与普通材料的性能的比较 ,指出了此类材料所具有的巨大应用前景和实用价值。

负泊松比材料与结构的力学性能研究及应用

本文综述了负泊松比材料与结构研究的发展过程,包括负泊松比材料拉伸膨胀理论研究、天然和人工制备负泊松比材料与结构的力学性能研究、负泊松比材料与结构的制备以及其在各个领域的广泛应用,并对未来负泊松比材料与结构的力学性能研究及应用进行了展望.

增材制造技术的发展对负泊松比材料的促进

增材制造技术的快速发展为工程师在负泊松比结构设计方面提供了制造基础以及更多的可能性,以实现具有功能梯度、多材料属性等特点的创新设计理念。同时,增材制造的负泊松比材料在汽车吸能盒、防撞梁等部件的应用极大地推动了增材制造技术与负泊松比材料的深度融合。本文对增材制造技术及负泊松比材料的研究发展现状进行了调研,分析了增材制造技术对负泊松比材料的促进作用,并提出了未来展望。

负泊松比材料和结构的研究进展

负泊松比材料和结构具有特殊的力学性能,在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀).其在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等方面比传统材料更有优势,因而负泊松比材料在医疗设备、传感器、防护设备、航空航海及国防工程等领域有广泛的应用前景,但目前负泊松比材料的应用与普及仍面临一些挑战.本文广泛讨论了国内外关于负泊松比材料的研究成果并介绍了负泊松比材料的最新进展,将负泊松比材料大体概括为以下4类:天然负泊松比材料、胞状负泊松比材料、金属负泊松比材料、多重和复合负泊松比材料.主要介绍了各种负泊松比材料的内部结构、负泊松比机理、力学性能以及在各行各业的新发明、新应用.针对目前负泊松比材料研究理论和实验成果多,而实际应用仍然较少的情况,指出了负泊松比材料的缺点及其推广所面临的挑战.目前负泊松比材料面临的主要问题是制造成本高、孔隙率大而承载力不足以及仅适用于小应变情况等.本文针对此情况详细介绍了金属负泊松比材料及其设计和制作的方法,改善负泊松比材料的不足并推广其应用.

负泊松比材料的发展与探究

现代技术对材料的特殊要求越来越多,正常物理、力学性质的材料已经不满足特定的要求,所以涌现出大量的智能材料。负泊松比材料是具有受拉膨胀或者受压收缩性质[1]的一种材料,属于一种智能材料,是一类具有较高工程应用价值的功能材料。在某些工程领域,负泊松比结构以其特有的物理、力学性质而被广泛应用。但是由于其复杂的结构和制作工艺,发展受到了较大的限制。但整体来看,其他高新技术的配套发展也推动了负泊松比材料的发展。

基于三维负泊松比蜂窝结构的防冲支架性能研究

提出一种应用于支架顶梁上方的吸能缓冲装置,该缓冲装置采用轻质、吸能量高的负泊松比材料,旨在将冲击地压带来的能量快速让位、缓冲吸收。对缓冲装置的构型进行设计并进行准静态压缩仿真;对缓冲装置施加低速、中速、高速进行抗冲击特性研究。结果表明:胞元角度为θ=70°的胞元具有良好的负泊松比效应、更长的压缩行程、更高的吸能量,适宜于做缓冲结构的胞元结构。对缓冲结构施加不同的速度,得到随着冲击速度的增大,缓冲结构的比吸能越大。

基于复杂约束拓扑优化的负泊松比超材料设计

针对现阶段超材料拓扑优化设计在飞行器设计领域存在的微观尺度上难以制造和宏观尺度上不具有周期性的问题,提出了一种宏观尺度下的超材料拓扑优化设计方法,分别应用优化准则法和移动渐近线法进行了指定泊松比约束的超材料拓扑优化设计,得到了在横向、纵向两个方向上的泊松比都满足约束的负泊松比超材料,并对两种优化算法的设计结果进行了对比分析.针对拓扑优化得到的胞元构型,建立了理论模型和有限元模型,对拓扑优化结果的力学性能进行验证.经理论模型和有限元模型计算,拓扑优化设计结果的泊松比满足设计要求,证明了宏观尺度拓扑优化方法设计负泊松比超材料的有效性.

负泊松比超材料隔振基座的实船应用分析

文章主要研究负泊松比超材料隔振基座在实船主机减振中的应用。通过数值计算方法,分别对内六角蜂窝型和星型超材料结构隔振基座的力学性能进行分析,并在整船有限元计算中对比分析隔振基座的隔振性能。研究表明,负泊松比超材料隔振基座的静力学性能与传统基座类似,隔振性能相比传统基座有明显提升,可以实现船用主机低中频段的隔振和主机基座设计的轻量化。

含负泊松比超材料肋板的双层圆柱壳声振性能分析

在保证结构承载能力的前提下,设计了含轻量化、减振降噪性能优良的负泊松比超材料肋板的双层圆柱壳结构,探索将其应用于潜艇动力设备舱舱段,以降低因动力设备引起的振动与噪声。通过调节超材料肋板宽度,可改变双层圆柱壳结构的整体刚度,调节超材料功能基元壁厚、角度以及基元层数可改变双层圆柱壳结构的隔振及声辐射性能;研究了保持肋板总质量不变条件下,超材料功能基元层数对双层圆柱壳结构隔振与声辐射性能的影响;给出了不同超材料肋板结构宽度、功能基元负泊松比及基元层数下双层圆柱壳结构的强度、固有频率、加速度响应级、振级落差、振动传递率以及辐射声功率。通过与常规双层圆柱壳结构对比,证实了采用负泊松比超材料肋板的双层圆柱壳结构轻量化优势与低噪声性能。

梯度负泊松比蜂窝材料的冲击动力学性能分析

借助非线性有限元程序LS-DYNA,基于功能梯度材料的概念,改变蜂窝胞壁厚度,建立了具有密度梯度的内凹六边形负泊松比蜂窝材料模型.分析对比了均匀负泊松比蜂窝材料和梯度负泊松比蜂窝材料在不同面内冲击速度下的变形模式、动态响应和能量吸收特性.研究表明,梯度负泊松比蜂窝材料的动态响应和能量吸收能力受梯度、胞元内凹角度和冲击速度的影响.如果能适当选取各项参数,就可使材料在降低初始应力峰值的同时保持良好的能量吸收能力.因此,具有密度梯度的负泊松比蜂窝材料在结构防护方面具有良好的应用前景.

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。

负泊松比内凹多孔骨微结构设计与力学性能分析

针对人体骨结构的弹性模量与金属材料相差悬殊、调控困难等问题,以减低或消除广跨度下的“应力屏蔽”效应为目标,引入具有非常规变形机制的负泊松比超材料,开展广跨度低弹性模量的多孔微结构的设计与实验研究。选用负泊松比内凹单元,设计不同控制参数和孔隙率的三维胞元多孔微结构;采用选区激光熔化成型技术制备实验样件,通过压缩试验揭示强度、弹性模量等力学性能与结构参数间的影响规律,评测负泊松比微结构与人骨的匹配度。试验结果表明:内凹六边形多孔结构的可制造性较好,成型质量与内凹角、孔隙率具有相关性;六边形内凹负泊松比结构的力学性能高度依赖于胞元的几何结构和孔隙率。相较于正泊松比,负泊松比内凹结构在相同的孔隙率下具有更低的弹性模量和相近的屈服强度,能对高弹性模量的316L不锈钢骨材料进行0.47 GPa~1.75 GPa的广跨度调控。可见,负泊松比内凹微结构在人体骨结构的应用上具备潜在优势。

利用D-函数设计特定弹性性能复合材料

根据逆均匀化方法的思想,通过极小化具有广义距离含义的D-函数来设计特定弹性性能的周期性复合材料.采用两个不同的Bregman函数使模型得到具体化,并由MMA(method of moving asymptotes)数学规划法进行求解.数值算例表明这一优化模型可以用来设计体积模量HS(Hashin-Shtrikman)上限和负泊松比的单一尺度微观构型.

基于弹性关节的二维宽频隔振结构的设计及优化

为了得到具有隔振功能的新型材料,本文对带有弹性关节的新型二维隔振结构的形状、尺寸及材料的选取进行了研究.探究了负泊松比结构实现宽频的带隙功能的作用,分析其在低频处的隔振性能.首先,文章建立了基于弹性关节单元的有限元模型,并以弹性关节的角度作为设计变量,确定角度与单元模型前三阶模态频率之间的关系,获得了最优的结构参数及单元构型.其次,对单元结构进行了动力学分析,给出了结构的动力学响应曲线,得到了隔振频带与结构参数的关系,并且确定了最优角度下的带隙深度和宽度.最后,建立了二维隔振结构有限元模型,对此二维结构进行了动力学分析,得到了在不同方向激励下的动力学响应曲线.结果表明,该二维隔振结构在低频处具有宽而深的频率带隙,实现了将弹性关节与二维隔振结构相结合的低频宽频隔振,为隔振领域的结构和材料设计提供了新思路.

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。因此,本文提出了一种新型刚度可调控的负泊松比管状结构,并对不同旋转方式、密实点提前程度、变形区域高度h等参数进行了有限元分析与试验研究。研究结果表明:变刚度圆管的刚度大小可通过密实点比例因子进行调控,同时可以调整h值的大小来减小设计值与真实值之间的误差。新研制的负泊松比管状结构不仅大幅提升了负泊松比管状结构的刚度,且同时维持了理想的负泊松比效应。本文所研发的负泊松比管状结构在防护工程中具有较好的应用前景,且为负泊松比结构的设计提供了新思路。