三維負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)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(huì)的主旋律，工業(yè)裝備的輕量化越來(lái)越引起了人們的重視，而多胞結(jié)構(gòu)所具備的輕質(zhì)高性能的優(yōu)點(diǎn)也使得其在工業(yè)裝備上的應(yīng)用有著廣闊的前景。作為一種新型多胞結(jié)構(gòu)，負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)在受到軸向壓縮載荷的時(shí)候，能夠產(chǎn)生橫向的壓縮應(yīng)變，表現(xiàn)出壓縮-收縮現(xiàn)象。這種變形特點(diǎn)使得負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)除了具備傳統(tǒng)多胞結(jié)構(gòu)輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)以外，還展現(xiàn)出了很多特殊的性能特點(diǎn)，對(duì)提高工業(yè)裝備的性能有著重要的意義。
　　獲得三維負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)的主要方法

2、是通過(guò)制備負(fù)泊松比泡沫來(lái)實(shí)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(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)成為了可能。因此，研究新的三維負(fù)泊松比元胞變得尤為必要和迫切。基于已有的二維負(fù)泊松比元胞，本文提出了一種新型三維負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)，其能夠在橫截面內(nèi)的兩個(gè)方向上均產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，表現(xiàn)出更為明顯的負(fù)泊松比效應(yīng)。通過(guò)建立這種三維結(jié)構(gòu)的相對(duì)密度理論公式，研究了元胞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和變形機(jī)理，將相對(duì)密度用元胞夾

3、角、厚度系數(shù)、長(zhǎng)度系數(shù)、胞壁比例系數(shù)這四個(gè)幾何參數(shù)來(lái)表示，研究了幾何參數(shù)對(duì)相對(duì)密度的影響，并定義了幾何參數(shù)的取值范圍。
　　在研究多胞結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的過(guò)程中，通常的做法是將其假設(shè)為連續(xù)介質(zhì)并用等效彈性模量、等效泊松比等參數(shù)來(lái)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(dǎo)了等效泊松比、等效彈性模量的理論公式，并通過(guò)有限元模型驗(yàn)證了理論公式的準(zhǔn)確性，研究了幾何參數(shù)對(duì)彈性等效性能的影響。此外，在受到軸向壓縮載荷的時(shí)候，

4、多胞結(jié)構(gòu)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(shí)的極限應(yīng)力理論公式，并研究了發(fā)生兩種失效模式的條件，結(jié)果表明:塑性坍塌是這種三維負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)的唯一失效模式。同樣的，通過(guò)有限元模型驗(yàn)證了等效塑性坍塌應(yīng)力理論公式的準(zhǔn)確性，并研究了元胞幾何參數(shù)對(duì)其的影響。
　　負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)是性能增強(qiáng)效應(yīng)，即在受到軸向壓縮的時(shí)候等效性能逐漸增強(qiáng)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是:在軸向壓縮過(guò)程中

5、，壓縮-收縮的變形特點(diǎn)使得元胞的形狀發(fā)生變化。因此，對(duì)于負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，用相對(duì)密度來(lái)描述等效性能會(huì)有很大的局限性，需要考慮幾何非線(xiàn)性的影響以及用關(guān)于元胞形狀的幾何參數(shù)來(lái)表征等效性能。為了研究這種負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)性能增強(qiáng)效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理，建立了考慮幾何非線(xiàn)性的軸向壓縮有限元模型，研究了大變形下的幾何參數(shù)對(duì)等效性能的影響，結(jié)果表明:這種負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)具備較高的比強(qiáng)度和較為明顯的剛度增強(qiáng)效應(yīng)。
　　多胞結(jié)構(gòu)的一個(gè)主要用途是作為能量

6、吸收裝置，負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)也不例外。剛度增強(qiáng)效應(yīng)使得其能夠在較低的相對(duì)密度下具備較高的平臺(tái)應(yīng)力，對(duì)提高能量吸收性能有著重要的意義。本文通過(guò)建立這種三維負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)的軸向沖擊有限元模型，研究了元胞幾何參數(shù)和沖擊速度對(duì)能量吸收性能的影響，并研究了沖擊過(guò)程中的變形特點(diǎn)和能量吸收機(jī)理。與傳統(tǒng)多胞結(jié)構(gòu)不同的是，負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)平臺(tái)區(qū)的應(yīng)力并不是圍繞著一個(gè)恒定值波動(dòng)的，而是隨著應(yīng)變地增大而增大，產(chǎn)生平臺(tái)應(yīng)力增強(qiáng)效應(yīng)。這種特點(diǎn)使得負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)

7、的軸向壓縮過(guò)程發(fā)生了變化，根據(jù)不同階段的變形特點(diǎn)，本文將軸向沖擊變形過(guò)程進(jìn)一步細(xì)分為四個(gè)區(qū)域:彈性區(qū)、平臺(tái)區(qū)、平臺(tái)應(yīng)力增強(qiáng)區(qū)、密實(shí)化區(qū)。通過(guò)研究平臺(tái)應(yīng)力增強(qiáng)的機(jī)理，建立了瞬時(shí)應(yīng)力理論模型，研究了這種增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)能量吸收性能的影響。同時(shí)，為了使對(duì)能量吸收性能的研究變得更為直觀，根據(jù)各個(gè)區(qū)域的變形特點(diǎn)建立了模型化的能量吸收?qǐng)D，研究了幾何參數(shù)對(duì)這種三維負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)能量吸收性能的影響。
　　在將這種三維負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)應(yīng)用到工程裝備的過(guò)