负泊松比结构的三点弯曲性能研究

第４３卷第２期２０１９年４月

南京理工大学学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｖｏｌ.４３Ｎｏ.２Ａｐｒ.２０１９

㊀收稿日期:２０１８－０５－１１㊀㊀修回日期:２０１８－０６－２５

㊀基金项目:国家科技重大专项(２０１８ＺＸ０４０２４００１)ꎻ江苏省研究生科研创新计划(ＫＹＺＺ１６＿０１７７)

㊀作者简介:高强(１９９１－)ꎬ男ꎬ博士生ꎬ主要研究方向:汽车轻量化ꎬ被动安全ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｇａｏｑｉａｎｇｓｉｒ＠１６３.ｃｏｍꎻ通讯作

者:王良模(１９６３－)男ꎬ博士ꎬ教授ꎬ主要研究方向:汽车轻量化ꎬ新能源汽车ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｌｉａｎｇｍｏｗａｎｇ＿ｎｊｕｓｔ

＠１６３.ｃｏｍꎮ

㊀引文格式:高强ꎬ王良模ꎬ钟弘ꎬ等.负泊松比结构的三点弯曲性能研究[Ｊ].南京理工大学学报ꎬ２０１９ꎬ４３(２):

１４１－１４６.㊀投稿网址:ｈｔｔｐ://ｚｒｘｕｅｂａｏ.ｎｊｕｓｔ.ｅｄｕ.ｃｎ

负泊松比结构的三点弯曲性能研究

高㊀强１ꎬ王良模１ꎬ钟㊀弘１ꎬ钱雅卉１ꎬ王晨至２

(１.南京理工大学机械工程学院ꎬ江苏南京２１００９４ꎻ２.深度工程公司ꎬ密歇根特洛伊４８０８４ꎬ美国)

摘㊀要:该文研究了内凹六边形负泊松比结构的三点弯曲力学性能ꎬ基于显式动力有限元ＡＮＳＹＳ/ＬＳ￣ＤＹＮＡ建立了该结构的有限元模型ꎬ进行了冲击试验仿真ꎬ并以单位质量吸能量(ＳＥＡ)和碰撞力峰值(ＰＣＦ)为评价指标ꎬ探究了胞元结构参数对其性能的影响ꎮ研究结果表明ꎬ胞元厚度增加或胞元高度降低ꎬ可使ＳＥＡ与ＰＣＦ同时增加ꎻＳＥＡ随着胞元宽度的增大先升高后降低ꎬ而ＰＣＦ则呈相反的趋势ꎻＳＥＡ随着胞元内凹角的增大而减小ꎬ而ＰＣＦ在内凹角较小及内凹角约４５ʎ时较大ꎮ因此ꎬ合理选择胞元参数对提高负泊松比结构的弯曲力学性能具有重要意义ꎮ

关键词:内凹六边形结构ꎻ负泊松比ꎻ三点弯曲ꎻ胞元结构

中图分类号:ＴＢ３３２㊀㊀文章编号:１００５－９８３０(２０１９)０２－０１４１－０６ＤＯＩ:１０.１４１７７/ｊ.ｃｎｋｉ.３２－１３９７ｎ.２０１９.４３.０２.００３

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｎｅｇａｔｉｖｅＰｏｉｓｓｏｎ ｓｒａｔｉｏ

ｕｎｄｅｒｔｈｒｅｅ￣ｐｏｉｎｔｂｅｎｄｉｎｇ

ＧａｏＱｉａｎｇ１ꎬＷａｎｇＬｉａｎｇｍｏ１ꎬＺｈｏｎｇＨｏｎｇ１ꎬＱｉａｎＹａｈｕｉ１ꎬＷａｎｇＣｈｅｎｚｈｉ２

(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００９４ꎬＣｈｉｎａꎻ

２.ＩｎＤｅｐｔｈＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｏｌｕｔｉｏｎｓꎬＬｉｍｉｔｅｄＬｉａｂｉｌｉｔｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎꎬＴｒｏｙ４８０８４ꎬＵＳ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｎｃａｖｅｈｅｘａｇｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｎｅｇａｔｉｖｅＰｏｉｓｓｏｎ ｓｒａｔｉｏｕｎｄｅｒｔｈｒｅｅ￣ｐｏｉｎｔｂｅｎｄｉｎｇꎬｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｅｌｌｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓꎬｔｈｅｗｉｄｔｈꎬｔｈｅｈｅｉｇｈｔａｎｄｔｈｅｉｎｎｅｒｃｏｎｃａｖｅａｎｇｌｅｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｆｏｃｕｓｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｅｘｐｌｉｃｉｔｄｙｎａｍｉｃｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔＡＮＳＹＳ/ＬＳ￣ＤＹＮＡ.Ｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ(ＳＥＡ)ａｎｄｔｈｅｐｅａｋｃｒｕｓｈｉｎｇｆｏｒｃｅ(ＰＣＦ)ａｒｅａｄｏｐｔｅｄａｓｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓｉｎｄｉｃｅｓ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＳＥＡａｎｄｔｈｅＰＣＦｉｎｃｒｅａｓｅａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｅｌｌａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｃｅｌｌｈｅｉｇｈｔꎻＷｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｃｅｌｌｗｉｄｔｈꎬｔｈｅＳＥＡｉｎｃｒｅａｓｅｓｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｓꎬｗｈｉｌｅｔｈｅ

ＰＣＦｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｏｐｐｏｓｉｔｅｔｒｅｎｄ.ＴｈｅＳＥＡｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｉｎｎｅｒｃｏｎｃａｖｅａｎｇｌｅ.

南京理工大学学报第４３卷第２期Ｗｈｅｎｔｈｅｉｎｎｅｒｃｏｎｃａｖｅａｎｇｌｅｉｓｓｍａｌｌｏｒａｂｏｕｔ４５ʎꎬｔｈｅＰＣＦｉｓｈｉｇｈｅｒ.Ｉｔｉｓｉｎｐｏｒｔａｎｔｔｏｃｈｏｏｓｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｃｅｌｌｕｌａｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｂｅｎｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏｎｃａｖｅｈｅｘａｇｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻｎｅｇａｔｉｖｅＰｏｉｓｓｏｎ ｓｒａｔｉｏꎻｔｈｒｅｅ￣ｐｏｉｎｔｂｅｎｄｉｎｇꎻｃｅｌｌｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ㊀

㊀㊀近年来ꎬ汽车安全越来越受到人们的关注ꎬ汽车保险杠是汽车碰撞中吸收能量的主要部件ꎬ国内外学者对其弯曲时的吸能特性进行了探索与研究[１]ꎮ刘伟明等[２]通过对不同填充方式的泡沫铝夹芯方管进行弯曲实验发现ꎬ夹芯方管内填充的泡沫铝需达到一定的长度ꎬ夹芯方管才能在较大的转角范围内依然保持较高的抗弯强度ꎻ谢中友[３]采用实验方法研究了３种不同管壁厚度㊁两种跨径的泡沫铝合金填充圆管的三点弯曲力学性能ꎬ得到了泡沫铝合金填充管结构承载过程中的３种变形模式ꎻＣｈｅｎ[４]通过数值模拟和实验方法ꎬ研究了铝泡沫填充薄壁管的挤压特性ꎬ发现该泡沫填充物能够避免整体失效ꎬ从而提高承载能力ꎻＳｈａｈＢｅｙｋ等[５]分析各种参数对空管和泡沫填充管碰撞性能的影响ꎬ包括点焊失效㊁法兰位置㊁金属板厚度㊁胶料的存在和泡沫填充等参数ꎬ发现铝泡沫填充可以显著改变能量的吸收和变形模式的弯曲行为ꎻＹｉｎ等[６]研究了两种功能性的横向梯度填充结构并进行了优化ꎬ以寻求最佳梯度指数参数ꎮＳｕｎ等[９]对内凹六边形的蜂窝芯材结构的共面缓冲性能进行了深入研究ꎮ

以上研究均是关于传统的薄壁管件和泡沫填充管的弯曲性能的改进与提升ꎮ张新春[７]基于显式动力有限元软件ꎬ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ꎻ杨德庆[８]将一种具有宏观负泊松比效应的新型蜂窝应用于舷侧防护结构ꎬ通过对负泊松比效应蜂窝胞元特殊结构构型进行设计ꎬ实现了中等弹速下的良好抗爆抗冲击性能ꎮ

综上ꎬ为提高汽车碰撞安全性ꎬ本文提出一种可用于汽车保险杠的内凹六边形负泊松比结构胞元ꎬ对其进行冲击试验仿真ꎬ分析内凹六边形胞元的厚度㊁高度㊁宽度㊁内凹角等对其宏观弯曲力学性能的影响ꎮ

１㊀负泊松比结构的设计

在冲击载荷作用下ꎬ传统的正泊松比结构的材料从受冲击部位向四周流动ꎬ如图１(ａ)所示ꎮ而负泊松比结构的材料则会向冲击部位聚拢

(图１(ｂ))ꎬ使得负泊松比结构的局部密度增大㊁模量迅速提高ꎬ结构的刚度和屈服强度增大ꎬ从而能更有效抵抗冲击作用

ꎮ

图１㊀正、负泊松比材料在冲击荷载作用下

的变形模式对比

图２(ａ)为本文研究的内凹六边形负泊松比结构胞元ꎬ其高度Ｈ㊁宽度Ｂ和内凹角θ是３个相互独立的结构参数ꎬ与胞元厚度ｔ共同决定结构的力学性能ꎮ此结构在垂直方向承受压缩时ꎬ斜肋会发生变形ꎬ斜肋的倾斜角度增大ꎬ从而使结构呈现负泊松比效应ꎮ图２(ｂ)是基于内凹六边形胞元结构建立的宏观负泊松比结构

ꎮ

图２㊀负泊松比结构示意图

２㊀有限元模型的建立

为了验证负泊松比结构的弯曲力学特性ꎬ进行了冲击试验ꎮ如图３所示ꎬ负泊松比结构长度为４８０ｍｍꎬ横截面为边长４０ｍｍ的正方形ꎬ由两个直径为５０ｍｍ的圆柱体支撑ꎬ支撑圆柱体之间的距离为４００ｍｍꎻ冲击圆柱体直径为５０ｍｍꎬ质量为１２８ｋｇꎬ冲击速度ｖ＝４.４ｍ/ｓꎮ

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