负泊松比结构的三点弯曲性能研究
负泊松比材料研究进展
图7 负泊松比晶体材料 体心立方结构示意图
Xi’an Jiaotong University
2.3
负泊松比复合材料的微观结构和形变机理
图9
负泊松比复合材料多层次结构示意图
1992 年Milton 对其制备的二维负泊松比复合材料建立的“杆铰链框架”模型[12 ] ,如 图9 所示。Milton 认为这种材料的结构是多层次的,材料的微观结构呈层次排列,而每一 层内又包含有层次排列的结构。Milton 认为通过控制各层次成分的尺寸和排列顺序,可 以使材料有负的泊松比值。
图6 图5 a 二维内凹蜂窝状结构 b 分子负泊松比材料微观结构
液晶聚合物分子负泊松比材料微 观结构
Xi’an Jiaotong University
晶体负泊松比效应的机理可由如图7 所示的体心立方结构模型得到诠释
图中,在[110 ]晶面方向施加外力F ,2、4 号 原子因此向外有一个位移,导致键角的减小, 但由于原子间需要保持一个比较紧密的排 列,那么1、3 号原子必然向中心移动,结果 是[110 ]晶面方向上的5、6 号原子向外位 移,实现了负泊松比效应。
Herakovich
负 泊 松 比 复 合 材 料
Milton
制备了在二维或三维方向上力学性质各向同性 的多层次结构负泊松比复合材料,通过控制各层 组分的尺寸及选择适当的连续相组分,获得了泊 松比值接近于- 1 的负泊松比材料
杨鸣波
用共混法制备的特殊聚烯烃共混物也具有负泊 松比性能,获得了- 1.4 的稳定负泊松比值,且材料 的模量和强度较多孔状负泊松比材料有较大提 高。
图1 聚合物泡沫的泡孔单元模型 (a) 普通泡沫 (b) 负泊松比泡沫
图2 多孔聚合物负泊松比材 料结构模型形变示意图
负泊松比材料与结构的力学性能研究及应用
负泊松比材料与结构的力学性能研究及应用一、本文概述负泊松比材料是一种具有特殊力学性能的新型材料，其泊松比小于2，与常规材料（泊松比约为3）的力学性质显著不同。
这类材料在受到外力作用时，其横向变形与纵向变形方向相反，表现出独特的拉伸和压缩行为。
负泊松比材料的出现，不仅为材料科学领域带来了新的研究方向，也为工程应用提供了更多可能性。
本文旨在深入研究负泊松比材料与结构的力学性能，包括其力学特性、变形机制、能量吸收能力等方面。
通过理论分析和实验验证，揭示负泊松比材料在承受载荷时的力学行为规律，为材料的优化设计和工程应用提供理论依据。
本文还将探讨负泊松比材料在各个领域的应用前景，如航空航天、汽车制造、生物医学等。
通过实例分析，展示负泊松比材料在这些领域中如何发挥独特的优势，提高结构性能、优化设计方案以及提升产品竞争力。
本文将对负泊松比材料与结构的力学性能进行全面而深入的研究，旨在推动该领域的发展，为未来的科技创新和产业升级提供有力支撑。
二、负泊松比材料的力学特性负泊松比材料，即泊松比小于5的材料，具有独特的力学特性，使其在多个领域具有广泛的应用前景。
与传统的正泊松比材料相比，负泊松比材料在受到外力作用时，其横向变形与纵向变形方向相反，这一特性使得材料在受到压力时能够更好地抵抗变形，具有优异的能量吸收能力和抗冲击性能。
优异的抗冲击性能：负泊松比材料在受到冲击时，由于其独特的变形机制，能够有效地吸收和分散冲击能量，从而减少冲击对结构的破坏。
这种特性使得负泊松比材料在防护装甲、航空航天、汽车制造等领域具有广泛的应用潜力。
良好的能量吸收能力：负泊松比材料在受到外力作用时，其内部结构发生变形，能够有效地将机械能转化为内能，从而实现能量的吸收。
这种特性使得负泊松比材料在减震降噪、安全防护等方面具有显著的优势。
较高的刚度和强度：负泊松比材料的特殊结构使得其在承受压力时，能够有效地抵抗变形，具有较高的刚度和强度。
这种特性使得负泊松比材料在承受重载、提高结构稳定性等方面具有显著的优势。
基于三维负泊松比蜂窝结构的防冲支架性能研究
基于三维负泊松比蜂窝结构的防冲支架性能研究
李明星;刘芳莹
【期刊名称】《煤炭技术》
【年(卷),期】2024(43)6
【摘要】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。
【总页数】5页(P84-88)
【作者】李明星;刘芳莹
【作者单位】内蒙古利民煤焦有限责任公司;山东科技大学
【正文语种】中文
【中图分类】TD353
【相关文献】
1.冲击载荷下箭头型负泊松比蜂窝结构动态吸能性能研究
2.正弦曲边负泊松比蜂窝结构面内冲击性能研究
3.空竹型负泊松比蜂窝结构的面内冲击性能研究
4.平方函
数曲边负泊松比蜂窝结构面内冲击性能研究5.新型三维负泊松比蜂窝结构设计与
力学性能研究
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《复杂加载下内凹负泊松比蜂窝的多轴屈服行为及斜冲击响应研究》
《复杂加载下内凹负泊松比蜂窝的多轴屈服行为及斜冲击响应研究》篇一一、引言随着现代工程技术的不断发展，对于材料的多轴屈服行为及斜冲击响应的研究逐渐成为研究热点。
其中，内凹负泊松比蜂窝因其独特的结构特性及良好的能量吸收能力在工程结构中有着广泛的应用。
然而，当材料面临复杂加载情况时，其力学响应将产生诸多未知变化，尤其涉及多轴屈服及斜冲击响应方面的研究仍显不足。
本文以复杂加载下内凹负泊松比蜂窝为研究对象，深入探讨其多轴屈服行为及斜冲击响应特性，以期为相关工程应用提供理论支持。
二、内凹负泊松比蜂窝的结构特点内凹负泊松比蜂窝作为一种具有独特结构特性的材料，其基本单元呈蜂窝状，且具有内凹的结构特征。
其结构具有优异的吸能性能、高比强度、良好的韧性和低密度等优点。
这种结构的独特性使其在受到外部力作用时能够有效地分散和吸收能量，具有较高的抗冲击性能。
三、复杂加载下的多轴屈服行为研究在复杂加载下，内凹负泊松比蜂窝的多轴屈服行为呈现出复杂的非线性特性。
在多轴应力状态下，材料的屈服行为受到多种因素的影响，如加载路径、加载速率、温度等。
通过对内凹负泊松比蜂窝在不同多轴加载条件下的实验研究，发现其屈服面在多轴应力空间中呈现出非椭球形的形状，且具有明显的各向异性特征。
此外，材料的屈服行为还与材料的微观结构、晶体取向等因素密切相关。
四、斜冲击响应研究斜冲击作为一种典型的动态加载方式，对材料的力学性能提出了更高的要求。
针对内凹负泊松比蜂窝在斜冲击作用下的响应特性，本文通过实验和数值模拟相结合的方法进行了深入研究。
实验结果表明，在斜冲击作用下，内凹负泊松比蜂窝能够有效地吸收能量，并表现出较高的抗冲击性能。
数值模拟结果则进一步揭示了材料在斜冲击过程中的应力传播、能量分布及损伤演化等过程。
五、结论通过对复杂加载下内凹负泊松比蜂窝的多轴屈服行为及斜冲击响应的研究，我们得出以下结论：1. 内凹负泊松比蜂窝在多轴加载条件下表现出复杂的非线性屈服行为，其屈服面具有非椭球形和各向异性的特点。
负泊松比结构研究进展
负泊松比结构研究进展摘要：在我们日常生活中，所遇见的材料大部分为正泊松比材料，即材料在拉伸时横向收缩，压缩时横向膨胀。
而负泊松比材料恰恰与此相反，具体表现为材料在拉伸时纵向膨胀，压缩时纵向收缩。
这种特性使得负泊松比材料在很多领域的应用中优于传统材料，也正因为这个原因，负泊松比材料成为热门的研究领域，例如纺织工业、航空航海航天、国防军事、生物医疗等。
研究表明，负泊松比效应通常是由于材料内部的结构（几何设置）和它在承受应力时所经历的变形机制之间的合作效应而产生的。
本文主要介绍了几种常见的负泊松比结构，例如重入凹角结构、手性/反手性结构、旋转刚体结构，希望能为负泊松比材料的发展研究添砖加瓦。
关键词：负泊松比；结构；变形机制；介绍1 泊松比的概念泊松比，即结构垂直于荷载方向的应变与荷载方向应变的比值，是一个无量纲常数，也是材料的一个基本属性。
泊松比的概念最先由法国科学家Simeon-Denis Poisson （1781～1840）提出，并以他的名字命名，具体表达式如下：（1）其中，ν表示泊松比，表示垂直于加载方向的应变，表示加载方向的应变。
2 负泊松比结构的种类即使材料本身也没有负泊松比行为，但通过设计的结构，我们可以得到负泊松比。
一些结构已被证明表现出辅助性行为，在过去的几十年里，机械超材料的研究进展迅速。
目前发现的负泊松比结构中，常见的有重入凹角结构、手性/反手性结构、旋转刚体结构等。
重入指的是“向内”或具有负角度（角度大于180°）的结构，重入凹角结构一般是由斜肋和连接的链铰组成的桁架结构构成的。
重入凹角结构主要包括重入四边形结构、曲线重入四边形结构、重入六边形结构等。
重入凹角结构的产生机理是沿着水平方向轴向拉伸结构时，斜肋将向水平方向旋转，这导致了结构的横向膨胀，从而导致整体结构负泊松比的产生。
重入凹角结构设计最开始由Lakes[1]等于1987年提出，随后人们按照他的思路设计出更多的重入凹角结构，例如Shen[2]等于2014年利用3D打印技术打印出一系列简单几何形状结构。
《内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能研究》
《内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能研究》一、引言近年来，随着新材料科学的发展，负泊松比材料因其独特的力学性能和结构特性，逐渐引起了广泛关注。
内凹负泊松比蜂窝作为一种典型的负泊松比结构，其静动态力学性能的研究对于其在实际工程中的应用具有重要意义。
本文旨在探讨内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能，以期为相关研究与应用提供理论依据。
二、内凹负泊松比蜂窝的结构特点内凹负泊松比蜂窝是一种具有特殊几何形状的蜂窝结构，其基本单元在受到外力作用时，能够产生负泊松比效应。
这种结构具有轻质、高强、抗冲击等优点，广泛应用于航空航天、汽车制造、生物医学等领域。
三、静力学性能研究1. 实验方法本文采用实验与数值模拟相结合的方法，对内凹负泊松比蜂窝的静力学性能进行研究。
实验中，通过制备不同尺寸和形状的内凹负泊松比蜂窝试样，对其在准静态载荷下的力学响应进行测试。
同时，利用有限元分析软件对实验过程进行模拟，以验证实验结果的准确性。
2. 实验结果与分析实验结果表明，内凹负泊松比蜂窝在准静态载荷下表现出优异的力学性能。
在受到外力作用时，其结构能够有效地分散和传递载荷，具有较高的能量吸收能力。
此外，内凹负泊松比蜂窝的力学性能受其几何形状、尺寸等因素的影响。
通过数值模拟，可以更深入地了解内凹负泊松比蜂窝的应力分布、变形模式等力学行为。
四、动力学性能研究1. 实验方法动力学性能研究主要采用冲击试验和数值模拟相结合的方法。
通过高速摄像机记录内凹负泊松比蜂窝在冲击载荷下的动态响应，同时利用有限元分析软件对冲击过程进行模拟，以研究其动态力学性能。
2. 实验结果与分析实验结果表明，内凹负泊松比蜂窝在冲击载荷下表现出良好的能量吸收能力和抗冲击性能。
其结构能够在冲击过程中有效地吸收和分散能量，减少对内部结构的破坏。
此外，内凹负泊松比蜂窝的动态力学性能受冲击速度、冲击角度等因素的影响。
通过数值模拟，可以更全面地了解其动态响应和破坏模式。
五、结论本文对内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能进行了研究，得出以下结论：1. 内凹负泊松比蜂窝在准静态载荷下具有优异的力学性能和能量吸收能力。
负泊松比结构的三点弯曲性能研究
负泊松比结构的三点弯曲性能研究高强;王良模;钟弘;钱雅卉;王晨至【摘要】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,基于显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA建立了该结构的有限元模型,进行了冲击试验仿真,并以单位质量吸能量(SEA)和碰撞力峰值(PCF)为评价指标,探究了胞元结构参数对其性能的影响.研究结果表明,胞元厚度增加或胞元高度降低,可使SEA与PCF同时增加;SEA随着胞元宽度的增大先升高后降低,而PCF则呈相反的趋势;SEA随着胞元内凹角的增大而减小,而PCF在内凹角较小及内凹角约45°时较大.因此,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.【期刊名称】《南京理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(043)002【总页数】6页(P141-146)【关键词】内凹六边形结构;负泊松比;三点弯曲;胞元结构【作者】高强;王良模;钟弘;钱雅卉;王晨至【作者单位】南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;深度工程公司,密歇根特洛伊48084,美国【正文语种】中文【中图分类】TB332近年来,汽车安全越来越受到人们的关注,汽车保险杠是汽车碰撞中吸收能量的主要部件,国内外学者对其弯曲时的吸能特性进行了探索与研究[1]。
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,夹芯方管内填充的泡沫铝需达到一定的长度,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;谢中友[3]采用实验方法研究了3种不同管壁厚度、两种跨径的泡沫铝合金填充圆管的三点弯曲力学性能,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;Chen[4]通过数值模拟和实验方法,研究了铝泡沫填充薄壁管的挤压特性,发现该泡沫填充物能够避免整体失效,从而提高承载能力;ShahBeyk等[5]分析各种参数对空管和泡沫填充管碰撞性能的影响,包括点焊失效、法兰位置、金属板厚度、胶料的存在和泡沫填充等参数,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;Yin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,以寻求最佳梯度指数参数。
《内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能研究》范文
《内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能研究》篇一一、引言近年来，随着新材料科学的发展，负泊松比材料因其独特的力学性能和结构特性，受到了广泛的关注。
其中，内凹负泊松比蜂窝作为一种典型的负泊松比结构，其静动态力学性能的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
本文将重点探讨内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能，分析其结构特性及力学行为，以期为该类材料在实际工程中的应用提供理论依据。
二、内凹负泊松比蜂窝的结构特性内凹负泊松比蜂窝是一种具有特殊几何形状的蜂窝结构，其基本单元在受力时能产生负泊松比效应。
该结构具有高孔隙率、轻质、高比强度等优点，同时具有良好的能量吸收能力和抗冲击性能。
其独特的结构特性使得内凹负泊松比蜂窝在航空航天、汽车制造、生物医学等领域具有广泛的应用前景。
三、静力学性能研究1. 实验方法为了研究内凹负泊松比蜂窝的静力学性能，我们采用了准静态压缩实验。
通过改变加载速率和加载方式，观察蜂窝结构的变形过程和破坏模式。
同时，利用扫描电子显微镜（SEM）对破坏后的样品进行微观结构分析，以揭示其破坏机理。
2. 实验结果与分析实验结果表明，内凹负泊松比蜂窝在准静态压缩过程中表现出良好的能量吸收能力和抗冲击性能。
其变形过程分为弹性阶段、屈服阶段和密实阶段。
在弹性阶段，蜂窝结构呈现出较高的刚度；进入屈服阶段后，结构发生内凹变形，产生负泊松比效应；当密实阶段来临时，结构表现出较高的能量吸收能力。
通过对破坏后的样品进行微观结构分析，我们发现蜂窝结构的破坏模式主要为局部剪切破坏和基体开裂。
四、动力学性能研究1. 实验方法为了研究内凹负泊松比蜂窝的动力学性能，我们采用了冲击实验。
通过改变冲击速度和冲击方式，观察蜂窝结构在动态载荷下的响应和破坏过程。
同时，利用高速摄像机记录整个过程，以便进行后续的数据分析。
2. 实验结果与分析实验结果表明，内凹负泊松比蜂窝在动态载荷下表现出较高的抗冲击性能。
在冲击过程中，蜂窝结构能够有效地吸收冲击能量，并产生内凹变形，从而减缓冲击力的传递。
反四手性负泊松比蜂窝面外双曲变形研究
反四手性负泊松比蜂窝面外双曲变形研究
杜林喆;叶长水;高飞宇;孙健;刘彦菊;冷劲松
【期刊名称】《航空制造技术》
【年(卷),期】2024(67)1
【摘要】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。
【总页数】8页(P79-86)
【作者】杜林喆;叶长水;高飞宇;孙健;刘彦菊;冷劲松
【作者单位】哈尔滨工业大学先进复合材料国家重点实验室;航空工业成都飞机设计研究所;哈尔滨工业大学航天科学与力学系
【正文语种】中文
【中图分类】TN9
【相关文献】
1.负泊松比曲边内凹蜂窝结构的面内冲击动力学数值研究
2.内凹负泊松比蜂窝结构的面内双轴冲击响应
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4.负泊松比六韧带手性蜂窝材料的血管支架力学特性分析
5.平方函数曲边负泊松比蜂窝结构面内冲击性能研究
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三维负泊松比星型结构冲击动力学研究
"三维负泊松比星型结构冲击动力学研究" 这一主题涉及到结构力学、动力学和材料科学等多个领域的复杂课题。
让我们逐步解释这个主题中的各个要素：
三维结构：三维结构通常指的是在三个空间维度（长度、宽度和高度）上存在的结构或物体。
它们可以是任何具有三维形状的实体，例如建筑、机械零件、车辆或其他复杂的物体。
负泊松比：泊松比是一个材料的弹性属性，描述了材料在受力时的变形行为。
正泊松比表示材料在拉伸时会变薄，而负泊松比表示材料在受拉伸时会膨胀。
负泊松比材料在特定应力条件下的行为通常较少见，但它们在一些特殊应用中具有重要价值，如隔热材料和减震材料。
星型结构：星型结构通常是指具有分支或辐射状排列的结构，类似于星星的形状。
这种结构在许多工程应用中都有用，如建筑物的支撑结构、飞行器的支撑骨架等。
冲击动力学：冲击动力学研究物体在受到外部冲击或冲击负载时的响应和行为。
这包括了物体的加速度、应力、变形和振动等方面的研究。
因此，"三维负泊松比星型结构冲击动力学研究" 可能是一项关于三维结构的研究，这些结构采用了负泊松比材料，而在冲击或冲击负载下进行了动力学分析。
这种研究可能涉及到材料性能、结构分析、数值模拟、实验测试等多个方面的内容，以了解这种特殊结构在受到冲击负载时的行为和性能。
这种研究对于设计特殊用途的结构或材料可能具有重要价值，如航空航天、防护材料等领域。
负泊松比可变弧角曲边内凹蜂窝结构的力学性能
元连接点处作 用 图 ２a 所 示 的 竖 直 方 向 的 对 称 载
型蜂窝结构.FU 等 [２４]依据梁理论推导出了一种
新型负泊松比手性三维材料的等效弹性模量和泊
曲变形. 本 文 研 究 的 结 构 为 梁 架 结 构,结 构 中 的
一种环形负泊松比结构,运用能量法推导出了环
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.
关键词:负泊松比;曲边内凹蜂窝结构;可变弧角;等效弹性模量;等效泊松比
中图分类号:
O３４２;
郭磊 [１８]基于旋 转 刚 性 单 元 模 型 建 立 了 新 型 多 尺
寸刚性矩 形 单 元 组 合 模 型. 鲁 超 等 [１９]利 用 柔 性
悬臂梁模型,给出 了 蜂 窝 壁 板 大 变 形 条 件 下 面 内
等效弹性 模 量 的 理 论 计 算 公 式. 金 爱 兵 等 [２０]从
微观结构角度分 析 了 岩 体 特 殊 的 负 泊 松 比 效 应,
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《复杂加载下内凹负泊松比蜂窝的多轴屈服行为及斜冲击响应研究》
《复杂加载下内凹负泊松比蜂窝的多轴屈服行为及斜冲击响应研究》篇一一、引言内凹负泊松比蜂窝结构作为一种新型的轻质材料，具有优异的力学性能和良好的能量吸收特性，广泛应用于航空航天、汽车制造等重要领域。
在复杂加载环境下，多轴屈服行为及斜冲击响应成为了研究该类材料的重要方向。
本文将重点研究内凹负泊松比蜂窝在多轴屈服及斜冲击条件下的力学行为和响应特征。
二、内凹负泊松比蜂窝的结构特点内凹负泊松比蜂窝结构以其独特的几何形状和力学性能，在承受外力时能够有效地分散和吸收能量。
其结构特点主要表现在：一是内凹形状，使得材料在受力时能够产生较大的变形，从而提高能量吸收能力；二是负泊松比效应，即材料在受压时能够产生横向膨胀，进一步提高结构的稳定性。
三、多轴屈服行为研究在复杂加载环境下，内凹负泊松比蜂窝结构的多轴屈服行为是研究重点。
通过实验和数值模拟方法，研究该材料在不同方向上的应力-应变关系，以及在不同应力组合下的屈服过程。
此外，还需研究材料的塑性变形行为、硬化效应以及多轴应力状态下的材料各向异性等特点。
四、斜冲击响应研究斜冲击是内凹负泊松比蜂窝结构在实际应用中常见的加载方式。
本文将通过实验和数值模拟方法，研究该材料在斜冲击条件下的动态响应特性。
包括冲击力、能量吸收、结构变形等方面的研究，以揭示其抗冲击性能和能量吸收机制。
五、实验方法与结果分析（一）实验方法采用高精度材料测试系统进行内凹负泊松比蜂窝的多轴屈服及斜冲击实验。
通过改变加载方向、加载速率等参数，获取不同条件下的应力-应变曲线、能量吸收数据等实验数据。
（二）结果分析根据实验数据，分析内凹负泊松比蜂窝在多轴屈服及斜冲击条件下的力学行为和响应特征。
通过对比不同条件下的实验结果，揭示材料的屈服过程、能量吸收机制以及抗冲击性能等特点。
六、数值模拟与验证（一）数值模拟方法利用有限元分析软件，建立内凹负泊松比蜂窝的有限元模型，通过设置不同的加载条件和边界条件，模拟多轴屈服及斜冲击过程，获取材料的应力、应变、能量吸收等数据。
负泊松比材料的研究综述
负泊松比材料的研究综述发布时间：2021-08-06T16:09:17.217Z 来源：《基层建设》2021年第13期作者：吴忠坤[导读] 摘要：随着科学技术的日益发展，工艺水平也在不断提升，人们对于那些具备着特殊力学性能的新材料愈发的关注，而这类新材料往往有着一般材料所不具备的力学性能。
广州大学土木工程学院广东广州 510006摘要：随着科学技术的日益发展，工艺水平也在不断提升，人们对于那些具备着特殊力学性能的新材料愈发的关注，而这类新材料往往有着一般材料所不具备的力学性能。
其中，负泊松比材料广受人们关注。
负泊松比材料有着很多特殊的性能，与传统材料相比，负泊松比材料在受到拉伸时，垂直于拉应力的方向会发生膨胀。
正是由于这种特殊的性质，使得负泊松比材料在很多领域，都表现出与传统材料所不同的优秀的物理和力学性能。
关键词：负泊松材料；负泊松比；结构一、引言目前已知的传统材料在自身强度及应对一些机体变形等方面很难满足人们的需求，随着工艺水平的提升，人们对于具备着特殊性能的新材料愈发关注，而这类新材料往往有着一般材料所不具备的力学性能。
其中，负泊松比材料广受人们关注。
负泊松比材料有着很多特殊的性能，与传统材料相比，该材料在受到拉伸时，垂直于拉应力的方向会发生膨胀。
正是由于这种特殊的性质，使得负泊松比材料在很多领域，都表现出与传统材料所不同的优秀的物理和力学性能。
包括弹性模量、剪切模量、热冲击强度等。
各种具备负泊松比效应的新型结构、材料不断地被制备出来，负泊松比材料、结构的应用得到迅速发展[1]。
等通过实验发现在机械荷载下的抗变形能力而不是体积变化时，泊松比可作为比较任何材料在弹性应变时性能的基本度量；国内的周丽，张平等提出了一种新的柔性蜂窝结构，并讨论其在飞机中的应用；Alderson[2]已成功制得用作增强纤维的细丝状和纤维状负泊松比聚合物材料，该材料除了可用于汽车车体、缓冲器复合材料外，还可用作防弹背心等。
三维负泊松比星型结构冲击动力学研究
三维负泊松比星型结构冲击动力学研究
三维负泊松比星型结构冲击动力学研究是指对一种特殊的材料结构进行冲击动力学行为的研究。
有以下几个方面的内容可以进行研究：
1. 结构设计与分析：通过将负泊松比材料应用于星型结构的设计与分析，研究其受力性能与承载能力。
此外，还可以研究星型结构对于冲击负载的响应，即在受到外部冲击力作用下的变形和损伤程度。
2. 动态响应与振动特性：使用数值模拟和实验方法研究三维负泊松比星型结构在冲击载荷下的动态响应和振动特性。
通过分析结构的刚度和阻尼特性，可以评估负泊松比星型结构对冲击的吸能能力以及对动态承载的稳定性。
3. 材料制备与性能测试：对负泊松比材料进行制备，包括选择合适的原材料和制备工艺。
然后通过材料性能测试（如拉伸、剪切和冲击等）来评估材料在冲击载荷下的性能和力学行为。
4. 发展新的阻尼材料：利用负泊松比材料的特殊性质，可以研究新型的阻尼材料应用于星型结构中的效果。
这有望在冲击动力学领域中提供更好的能量吸收和减振性能。
总的来说，三维负泊松比星型结构冲击动力学研究将结合材料的力学性能和几何形态，探究负泊松比材料的应用潜力以及星型结构在冲击载荷下的动态响应和振动特性。
这项研究对于改善结构的抗冲击性能，提高工程材料的安全性具有重要意义。
《内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能研究》范文
《内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能研究》篇一一、引言随着材料科学的快速发展，蜂窝结构因其轻质、高强、多功能的特性在航空、航天、汽车等领域得到了广泛应用。
近年来，内凹负泊松比蜂窝作为一种新型的蜂窝结构，因其独特的力学性能和优越的吸能特性引起了广泛关注。
本文旨在研究内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能，为该结构的优化设计和应用提供理论依据。
二、内凹负泊松比蜂窝的结构特点内凹负泊松比蜂窝是由一系列具有内凹特性的六边形蜂窝单元组成，其特殊的结构设计使其具有负泊松比效应。
负泊松比效应是指材料在受压时，其横向或纵向尺寸可以减小或缩短的现象。
这种结构特点使得内凹负泊松比蜂窝在受到外力作用时，能够有效地分散和吸收能量，具有较高的抗冲击和吸能能力。
三、静力学性能研究1. 实验方法采用准静态压缩实验对内凹负泊松比蜂窝的静力学性能进行研究。
通过改变压缩速率和加载条件，观察其应力-应变曲线和破坏模式，分析其承载能力和能量吸收能力。
2. 实验结果与分析实验结果表明，内凹负泊松比蜂窝在准静态压缩下表现出较高的承载能力和能量吸收能力。
其应力-应变曲线呈现出典型的平台应力特征，表明其具有良好的变形能力和吸能特性。
此外，内凹结构能够有效地分散和吸收能量，提高结构的抗冲击性能。
四、动力学性能研究1. 实验方法采用冲击实验对内凹负泊松比蜂窝的动力学性能进行研究。
通过改变冲击速度和冲击质量，观察其动态响应和破坏模式，分析其抗冲击能力和能量吸收能力。
2. 实验结果与分析实验结果表明，内凹负泊松比蜂窝在受到冲击时，具有较好的抗冲击能力和能量吸收能力。
其动态响应呈现出明显的非线性特征，能够在短时间内吸收大量能量，减轻结构内部的应力集中现象。
此外，内凹结构能够有效地分散冲击力，提高结构的抗冲击性能。
五、结论本文通过对内凹负泊松比蜂窝的静动态力学性能进行研究，发现该结构具有较高的承载能力、能量吸收能力和抗冲击能力。
其独特的内凹结构和负泊松比效应使得该结构在受到外力作用时能够有效地分散和吸收能量，提高结构的稳定性和耐久性。
内凹-星型三维负泊松比结构设计及冲击吸能特性
内凹-星型三维负泊松比结构设计及冲击吸能特性
王玮婧;张伟明;郭孟甫;杨金水;马力
【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2024(43)6
【摘要】负泊松比结构因其反常的变形机制在缓冲吸能领域具有可观的应用前景。
该文设计并表征了一种参数可调的新型负泊松比结构。
采用理论和数值模拟相结合的研究手段,系统地研究了结构的静/动态力学性能和吸能特性。
研究结果表明:新结构具有较好的力学性能和参数可调性;在静态压缩条件下,新型蜂窝结构具有更高的刚度和更优异的吸能性能,其比吸能值是内凹型蜂窝结构的2.64倍,是星型蜂窝结构的3.89倍;在动态冲击条件下,内凹-星型结构的吸能性能在低速时优于两种传统蜂
窝结构(内凹和星型),在中高速时其吸能优势有所退化,与内凹型蜂窝结构相当,但远
高于星型蜂窝结构。
【总页数】9页(P75-83)
【作者】王玮婧;张伟明;郭孟甫;杨金水;马力
【作者单位】哈尔滨工程大学青岛创新发展基地;哈尔滨工业大学复合材料与结构
研究所;北京航天发射技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TH212;TH213.3
【相关文献】
1.负泊松比内凹环形蜂窝结构的冲击响应特性研究
2.内凹负泊松比蜂窝结构的面内双轴冲击响应
3.三维负泊松比星型结构冲击动力学研究
4.弧边内凹蜂窝负泊松比结构的面内冲击动力学数值研究
5.负泊松比曲边内凹同心蜂窝结构冲击吸能特性研究
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负泊松比材料研究进展
Evans 认为,通过改变垂线和对角线上乙炔键连接的数目,理论上可以实现负泊松比 效应,而在乙炔键的连接处加入苯环,是为了再现类似于图5(a) 所示的二维平面结构。
Griffin 等认为化学合成蜂窝状结构的分子难度较大,于是在分子水平上设计了另 外一种能够呈现负泊松比效应的微观结构,如图(6)所示。此结构的主链由液晶高 聚物构成,在主链上连接上一定数量的,分子结构呈棒状的组分。
负泊松比材料研究进展
1.负泊松比材料的种类 2.负泊松比材料的微观结构与形变机理 3.负泊松比材料的机械性能 4.负泊松比材料的优势和应用前景
泊松比：为负的横向收缩应变与纵向伸长应变之比。
负泊松比(Negative Poisson’s Ratio) 效应：是指受拉 伸时,材料在弹性范围内横向发生膨胀;而受压缩时,材料 的横向反而发生收缩。
图1 聚合物泡沫的泡孔单元模型 (a) 普通泡沫 (b) 负泊松比泡沫
图2 多孔聚合物负泊松比材 料结构模型形变示意图
第一阶段
由于节点尺寸要比过渡区和原纤尺寸大许多,所以节点所 承受的力要相对小得多,因而过渡区的材料受力被拉伸至
三 段
一个有序状态,并向原纤区转变,如图3 (b) 所示。
式 原 纤
由原纤组成的材料受到进一步拉伸,增加了原纤的取向度, 第二阶段 模量上升,且原纤的杨氏模量在此阶段为最大值,如图3 (c)
1.1 多孔状负泊松比材料
多孔材料指一相为固体,另一相完全由孔隙或液体组成的复合材料。
多
孔 状
Almgren
负
泊
松
比
三维负泊松比织物结构的设计制造和变形机理研究
三维负泊松比织物结构的设计制造和变形机理研究天然材料通常表现为正泊松比,即拉伸时材料变窄,压缩时变宽。
近几十年来发现了一些具有负泊松比性能的材料,并于1991年被Evans等人命名为拉胀材料(Auxetic material),其泊松比的绝对值越大,负泊松比效应越明显。
研究发现,拉胀材料除具有负泊松比外,与传统材料相比,还具有其他独特性能,如剪切刚度、断裂韧性、抗压痕性、能量吸收能力(超声波、声、阻尼)等都有所提高。
以上优良的力学性能使得拉胀材料可望应用于航空航天、环保、生物医学及其他国防领域,从而使拉胀材料的开发和研究具有重要意义。
本课题旨在设计开发一种具有负泊松比效应的三维织物结构,研究其产生负泊松比的压缩变形机理并讨论其结构参数对负泊松比的影响。
该结构包括经纱、纬纱及捆绑纱,其结构特点是经纬纱多层排列,不进行交织,层间垂直交叉排列,层内纱线一隔一或完全平行排列,同时由织针在垂直于经纬纱交叉排列平面的方向编织经编编链结构形成捆绑纱。
标记经纬纱其中一组纱线一隔一排列的结构为结构A,经纬纱同时一隔一排列的结构为结构B。
定义该织物的结构松弛率为理想状态下即经纬纱都完全平直情况下织物的厚度与下机后织物的厚度差占理想状态下织物厚度的比例,则影响织物的相关结构参数有：经纬纱半径、不同层相邻经纱间的水平距离、不同层相邻纬纱间的水平距离、经纬纱弹性模量、结构松弛率。
本课题研究工作主要分为四部分：(1)设计一种具有负泊松比效应的三维织物结构,建立该结构的二维几何模型,考察该结构中各参数对其泊松比性能的影响。
制造三维织机实现以上结构的织造。
(2)通过手工和机械的方法编织出14种不同结构参数的试样,并对以上试样进行压缩实验测试,研究织物产生负泊松比的变形机理以及结构参数对负泊松比的影响。
(3)根据经典弹性理论和接触理论建立该结构的二维力学模型,比较该模型所得结果与二维几何模型及压缩实验结果的差别。
(4)利用有限元分析方法建立该结构的有限元模型,讨论其结果与二维力学模型及压缩实验结果的差别。
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第４３卷第２期２０１９年４月南京理工大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ.４３Ｎｏ.２Ａｐｒ.２０１９㊀收稿日期:２０１８－０５－１１㊀㊀修回日期:２０１８－０６－２５㊀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.ｃｏｍꎮ㊀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.２０１９.４３.０２.００３ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｎｅｇａｔｉｖｅＰｏｉｓｓｏｎ ｓｒａｔｉｏｕｎｄｅｒｔｈｒｅｅ￣ｐｏｉｎｔｂｅｎｄｉｎｇＧａｏＱｉａｎｇ１ꎬＷａｎｇＬｉａｎｇｍｏ１ꎬＺｈｏｎｇＨｏｎｇ１ꎬＱｉａｎＹａｈｕｉ１ꎬＷａｎｇＣｈｅｎｚｈｉ２(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００９４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＩｎＤｅｐｔｈＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｏｌｕｔｉｏｎｓꎬＬｉｍｉｔｅｄＬｉａｂｉｌｉｔｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎꎬＴｒｏｙ４８０８４ꎬＵＳ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｎｃａｖｅｈｅｘａｇｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｎｅｇａｔｉｖｅＰｏｉｓｓｏｎ ｓｒａｔｉｏｕｎｄｅｒｔｈｒｅｅ￣ｐｏｉｎｔｂｅｎｄｉｎｇꎬｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｅｌｌｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓꎬｔｈｅｗｉｄｔｈꎬｔｈｅｈｅｉｇｈｔａｎｄｔｈｅｉｎｎｅｒｃｏｎｃａｖｅａｎｇｌｅｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｆｏｃｕｓｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｅｘｐｌｉｃｉｔｄｙｎａｍｉｃｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔＡＮＳＹＳ/ＬＳ￣ＤＹＮＡ.Ｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ(ＳＥＡ)ａｎｄｔｈｅｐｅａｋｃｒｕｓｈｉｎｇｆｏｒｃｅ(ＰＣＦ)ａｒｅａｄｏｐｔｅｄａｓｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓｉｎｄｉｃｅｓ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＳＥＡａｎｄｔｈｅＰＣＦｉｎｃｒｅａｓｅａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｅｌｌａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｃｅｌｌｈｅｉｇｈｔꎻＷｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｃｅｌｌｗｉｄｔｈꎬｔｈｅＳＥＡｉｎｃｒｅａｓｅｓｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｓꎬｗｈｉｌｅｔｈｅＰＣＦｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｏｐｐｏｓｉｔｅｔｒｅｎｄ.ＴｈｅＳＥＡｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｉｎｎｅｒｃｏｎｃａｖｅａｎｇｌｅ.南京理工大学学报第４３卷第２期Ｗｈｅｎｔｈｅｉｎｎｅｒｃｏｎｃａｖｅａｎｇｌｅｉｓｓｍａｌｌｏｒａｂｏｕｔ４５ʎꎬｔｈｅＰＣＦｉｓｈｉｇｈｅｒ.Ｉｔｉｓｉｎｐｏｒｔａｎｔｔｏｃｈｏｏｓｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｃｅｌｌｕｌａｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｂｅｎｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏｎｃａｖｅｈｅｘａｇｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻｎｅｇａｔｉｖｅＰｏｉｓｓｏｎ ｓｒａｔｉｏꎻｔｈｒｅｅ￣ｐｏｉｎｔｂｅｎｄｉｎｇꎻｃｅｌｌｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ㊀㊀㊀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ꎮ１㊀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/ｓꎮ２４１总第２２５期高㊀强㊀王良模㊀钟㊀弘㊀钱雅卉㊀王晨至㊀负泊松比结构的三点弯曲性能研究㊀㊀图３㊀三点弯曲示意图负泊松比结构件采用Ｂｅｌｙｔｓｃｈｋｏ￣Ｔｓａｙ四节点薄壳单元建模ꎬ圆柱体采用八节点六面体实体单元模拟ꎬ采用不同网格尺寸进行网格灵敏度分析ꎬ薄壳单元沿厚度方向取３个积分点ꎬ尺寸为４ｍｍꎬ六面体网格尺寸为１０ｍｍꎮ这种建模方式既能保证模型运算精确度ꎬ又能提高运算效率ꎮ负泊松比结构的材料为ＡＡ６０６０￣Ｔ４ꎬ在ＬＳ￣ＤＹＮＡ中选用１２３＃材料模型Ｍｏｄｉｆｉｅｄｐｉｅｃｅｗｉｓｅｌｉｎｅａｒｐｌａｓｔｉｃｉｔｙꎬ密度ρ＝２７００ｋｇ/ｍ３ꎬ杨氏模量Ｅ＝６８.２ＧＰａꎬ泊松比μ＝０.３ꎬ屈服应力为８０ＭＰａꎬ极限应力σｙ＝１７３ＭＰａꎬ幂指强化系数ｎ＝０.２３ꎬ延伸率ε＝１７.４％ꎬ真实应力－应变曲线如图４所示ꎮ圆柱体的材料用ＭＡＴ２０模拟刚性体ꎬ在冲击过程中均不发生任何变形ꎮ图４㊀真实应力－应变曲线(ＡＡ６０６０￣Ｔ４铝合金材料)考虑到圆柱体与负泊松比结构之间的接触关系ꎬ采用接触算法 Ａｕｔｏｍａｔｉｃｓｕｒｆａｃｅ￣ｔｏ￣ｓｕｒｆａｃｅｃｏｎｔａｃｔ 模拟ꎬ为了防止负泊松比结构的自身穿透ꎬ利用接触算法 Ａｕｔｏｍａｔｉｃｓｉｎｇｌｅ￣ｓｕｒｆａｃｅｃｏｎｔａｃｔ 模拟ꎮ以上两种接触算法的静摩擦系数与动摩擦系数均分别取０.２和０.３ꎮ３㊀弯曲力学性能分析３.１㊀弯曲力学性能指标为表征结构弯曲时的力学性能ꎬ引入结构吸收总能量ＥＡ㊁单位质量结构吸收能量ＳＥＡ以及碰撞力峰值ＰＣＦ等指标[５]ꎮＥＡ是结构整个弯曲过程中吸收的能量ꎬ表征为㊀ＥＡ(ｄ)＝ʏｄ０Ｆ(ｘ)ｄｘ(１)式中:ｄ为结构中点在弯曲过程中的垂直位移ꎬ本文中取３０ｍｍꎮＳＥＡ表征为㊀ＳＥＡ＝ＥＡＭ(２)式中:Ｍ为结构的总质量ꎮＰＣＦ是在整个弯曲过程中的最大碰撞力ꎬ表征为㊀ＰＣＦ＝ｍａｘ[Ｆ(ｄ)](３)式中:Ｆ(ｄ)是垂直位移为ｄ时的碰撞力大小ꎮ３.２㊀冲击速度对负泊松比弯曲性能的影响探究不同冲击速度下负泊松比结构的变形模式及吸能特性ꎬ对于研究负泊松比结构的动态力学特性具有重要意义ꎮ由于本文研究的负泊松比结构主要用于汽车保险杠ꎬ结合实际汽车碰撞速度ꎬ研究了５~２５ｍ/ｓ冲击速度下的负泊松比结构的力－位移响应ꎮ选择基准胞元单元模型:Ｂ＝２０ｍｍꎬＨ＝１０ｍｍꎬθ＝３０ʎꎬｔ＝２ｍｍꎮ由图５可知ꎬ不同冲击速度下的力位移变化曲线的趋势基本相同ꎬ初始碰撞时ꎬ碰撞力急剧增大至峰值ꎬ后逐渐降低并趋于稳定ꎬ说明碰撞力峰值随着冲击速度的增大而提高ꎮ图５㊀冲击速度对力－位移响应的影响为进一步探求冲击速度对负泊松比结构弯曲性能的影响ꎬ分析了不同冲击速度下的负泊松比３４１南京理工大学学报第４３卷第２期结构ＳＥＡꎮ由图６可知ꎬ负泊松比结构的ＳＥＡ随速度增加而逐渐增大ꎮ此外ꎬ冲击速度增大对结构的变形模式并没有显著影响ꎬ且其结构的负泊松比特性依然存在ꎬ结构弯曲后材料向中间流动ꎬ在之后的变形过程中ꎬ即有更多的材料参与能量吸收ꎬ从而吸收更多的能量ꎬ在汽车的保险杠应用中则表现出更好的防撞性能ꎮ图６㊀冲击速度对ＳＥＡ的影响３.３㊀胞元参数的影响与分析为研究内凹六边形负泊松比结构的弯曲力学性能ꎬ选择基准胞元单元模型与第１节相同ꎮ参照图３的宏观结构以及弯曲工况进行仿真分析ꎮ仿真结构变形如图７所示ꎮ由图７可见ꎬ内凹六边形结构受压后ꎬ结构收缩提高了结构的整体强度ꎮ下面着重讨论不同的胞元参数对其弯曲力学性能的影响ꎮ图７㊀结构变形示意图３.３.１㊀胞元厚度的影响在保持基本模型宽度㊁高度和内凹角度不变的情况下ꎬ改变胞元厚度ꎬ探究其对单位质量吸能量以及对碰撞力峰值的影响ꎮ由图８(ａ)可知ꎬ单位质量吸能量随着厚度的增加而增加ꎬ在厚度较小时ꎬ单位质量吸能量的变化更为显著ꎬ这是由于厚度的增加增强了结构刚度ꎬ从而提高了结构的而吸能特性ꎻ图８(ｂ)描述了碰撞力峰值随着厚度的增加也逐渐增大ꎮ由于实际应用中ꎬ碰撞力峰值不能过大ꎬ且增大厚度使结构质量增大ꎮ因此ꎬ不能单纯为了提高单位质量吸能量而过度增大结构厚度ꎬ设计合适的结构厚度对其弯曲力学性能至关重要ꎮ图８㊀胞元厚度对吸能特性的影响３.３.２㊀胞元宽度的影响胞元宽度也是影响负泊松比结构弯曲性能的重要因素ꎮ图９表明ꎬ单位质量吸能量和碰撞力峰值随胞元宽度的变化并非呈单调函数关系ꎮ图９㊀胞元宽度对吸能特性的影响当胞元宽度较小时ꎬ胞元数目增多ꎬ导致宏观结构质量的增加ꎬ而结构两端的胞元并没有发生充分的变形吸收能量ꎬ因此降低了单位质量的吸４４１总第２２５期高㊀强㊀王良模㊀钟㊀弘㊀钱雅卉㊀王晨至㊀负泊松比结构的三点弯曲性能研究㊀㊀能量ꎮ而胞元数目的增多一定程度上增大了结构强度ꎬ因此碰撞力峰值较大ꎮ由于胞元结构是内凹六边形ꎬ当胞元宽度过大时ꎬ这种结构极易发生变形ꎬ且吸能特性较差ꎮ因此ꎬ尽管整体质量下降ꎬ仍导致单位质量的吸能量降低ꎮ而当宽度上升到一定值时ꎬ碰撞力峰值对其宽度并不敏感ꎬ变化很小ꎮ３.３.３㊀胞元高度的影响胞元高度比胞元宽度对其弯曲性能的影响更为显著ꎬ如图１０所示ꎮ随着胞元高度的增加ꎬ单位质量吸能量和碰撞力峰值均逐渐降低ꎬ且随着高度的增加ꎬ下降趋势变缓ꎮ这是由于高度的降低使宏观结构的层数增多ꎬ结构刚度增强ꎬ各个胞元结构变形更充分ꎬ从而吸收更多的能量ꎮ因此减小胞元高度有利于弯曲性能的改进ꎮ但胞元高度也不宜过小ꎬ否则易导致碰撞力峰值过大ꎮ图１０㊀胞元高度对吸能特性的影响３.３.４㊀胞元内凹角的影响胞元内凹角决定着六边形的内凹程度以及结构的承载能力ꎮ如图１１(ａ)所示ꎬ单位质量吸能量随着内凹角度的增大而逐渐减小ꎬ这是由于内凹角的增大ꎬ导致六边形侧边更容易发生折弯ꎬ降低了结构的承载能力和吸能特性ꎻ而内凹角对碰撞力峰值的影响更为复杂ꎬ由图１１(ｂ)所示ꎬ当内凹角较小及约４５ʎ时ꎬ碰撞力峰值较大ꎮ图１１㊀胞元内凹角对吸能特性的影响４㊀结论本文研究了内凹六边形负泊松比的弯曲性能ꎬ选取单位质量吸能量ＳＥＡ以及碰撞力峰值ＰＣＦ为弯曲性能的评判标准ꎬ分析了胞元厚度㊁宽度㊁高度及内凹角度对弯曲性能的影响ꎮ研究结果表明ꎬ胞元厚度的增加或胞元高度的降低ꎬ使得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在内凹角较小及约４５ʎ时较大ꎮ因此ꎬ合理地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作用ꎮ参考文献:[１]㊀王良模ꎬ陈东益ꎬ袁刘凯ꎬ等.某专用校车顶部安全性能仿真与改进[Ｊ].南京理工大学学报ꎬ２０１２ꎬ３６(６):１０３１－１０３５.ＷａｎｇＬｉａｎｇｍｏꎬＣｈｅｎＤｏｎｇｙｉꎬＹｕａｎＬｉｕｋａｉꎬｅｔａｌ.Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｓａｆｅｔｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆａｃｅｒｔａｉｎｓｃｈｏｏｌｂｕｓ[Ｊ].ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１２ꎬ３６(６):１０３１－１０３５. 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