三維負泊松比多胞結構的軸向壓縮性能研究.pdf

1、隨著節(jié)能減排成為現(xiàn)代社會的主旋律，工業(yè)裝備的輕量化越來越引起了人們的重視，而多胞結構所具備的輕質高性能的優(yōu)點也使得其在工業(yè)裝備上的應用有著廣闊的前景。作為一種新型多胞結構，負泊松比多胞結構在受到軸向壓縮載荷的時候，能夠產生橫向的壓縮應變，表現(xiàn)出壓縮-收縮現(xiàn)象。這種變形特點使得負泊松比多胞結構除了具備傳統(tǒng)多胞結構輕質的優(yōu)點以外，還展現(xiàn)出了很多特殊的性能特點，對提高工業(yè)裝備的性能有著重要的意義。
　　獲得三維負泊松比多胞結構的主要方法

2、是通過制備負泊松比泡沫來實現(xiàn)的，這種制備方式得到的元胞很不均勻，不能表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的性能，而隨著增材制造等加工工藝的發(fā)展，使得制備出復雜形狀的結構成為了可能。因此，研究新的三維負泊松比元胞變得尤為必要和迫切?；谝延械亩S負泊松比元胞，本文提出了一種新型三維負泊松比多胞結構，其能夠在橫截面內的兩個方向上均產生壓縮應變，表現(xiàn)出更為明顯的負泊松比效應。通過建立這種三維結構的相對密度理論公式，研究了元胞的結構特點和變形機理，將相對密度用元胞夾

3、角、厚度系數、長度系數、胞壁比例系數這四個幾何參數來表示，研究了幾何參數對相對密度的影響，并定義了幾何參數的取值范圍。
　　在研究多胞結構力學性能的過程中，通常的做法是將其假設為連續(xù)介質并用等效彈性模量、等效泊松比等參數來描述其性能。因此，在本文中建立了基于單胞法的軸向壓縮理論模型，推導了等效泊松比、等效彈性模量的理論公式，并通過有限元模型驗證了理論公式的準確性，研究了幾何參數對彈性等效性能的影響。此外，在受到軸向壓縮載荷的時候，

4、多胞結構的失效原因主要為彈性屈曲和塑性坍塌。因此，基于單胞法分別建立了發(fā)生彈性屈曲和塑性坍塌時的極限應力理論公式，并研究了發(fā)生兩種失效模式的條件，結果表明:塑性坍塌是這種三維負泊松比多胞結構的唯一失效模式。同樣的，通過有限元模型驗證了等效塑性坍塌應力理論公式的準確性，并研究了元胞幾何參數對其的影響。
　　負泊松比多胞結構的一個重要特點是性能增強效應，即在受到軸向壓縮的時候等效性能逐漸增強，產生這種現(xiàn)象的主要原因是:在軸向壓縮過程中

5、，壓縮-收縮的變形特點使得元胞的形狀發(fā)生變化。因此，對于負泊松比多胞結構來說，用相對密度來描述等效性能會有很大的局限性，需要考慮幾何非線性的影響以及用關于元胞形狀的幾何參數來表征等效性能。為了研究這種負泊松比多胞結構性能增強效應產生的機理，建立了考慮幾何非線性的軸向壓縮有限元模型，研究了大變形下的幾何參數對等效性能的影響，結果表明:這種負泊松比多胞結構具備較高的比強度和較為明顯的剛度增強效應。
　　多胞結構的一個主要用途是作為能量

6、吸收裝置，負泊松比多胞結構也不例外。剛度增強效應使得其能夠在較低的相對密度下具備較高的平臺應力，對提高能量吸收性能有著重要的意義。本文通過建立這種三維負泊松比多胞結構的軸向沖擊有限元模型，研究了元胞幾何參數和沖擊速度對能量吸收性能的影響，并研究了沖擊過程中的變形特點和能量吸收機理。與傳統(tǒng)多胞結構不同的是，負泊松比多胞結構平臺區(qū)的應力并不是圍繞著一個恒定值波動的，而是隨著應變地增大而增大，產生平臺應力增強效應。這種特點使得負泊松比多胞結構

7、的軸向壓縮過程發(fā)生了變化，根據不同階段的變形特點，本文將軸向沖擊變形過程進一步細分為四個區(qū)域:彈性區(qū)、平臺區(qū)、平臺應力增強區(qū)、密實化區(qū)。通過研究平臺應力增強的機理，建立了瞬時應力理論模型，研究了這種增強效應對能量吸收性能的影響。同時，為了使對能量吸收性能的研究變得更為直觀，根據各個區(qū)域的變形特點建立了模型化的能量吸收圖，研究了幾何參數對這種三維負泊松比多胞結構能量吸收性能的影響。
　　在將這種三維負泊松比多胞結構應用到工程裝備的過