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.      

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.     

星型负泊松比多孔材料力学性能及应用研究

论文推导了星型负泊松比多孔材料的泊松比$弹性模量及相对密度的解析表达式"并通过有限元分 析验证了解析表达式的准确性:星型负泊松比多孔材料具有优异的吸能与隔振性能"论文设计了一种船用星型多 孔材料隔振基座:建立了不同层数$壁厚$泊松比的星型多孔材料隔振基座对应的数值有限元模型"探究了星型多 孔材料薄壁结构泊松比$层数以及壁厚对多孔材料隔振基座强度与减振性能的影响:研究表明"减少多孔材料薄壁 结构的层数和壁厚"选用胞元泊松比?%:$的星型多孔材料"可以获得低频隔振效果好$强度高的多孔材料隔振 基。     

负泊松比蜂窝材料的动力学响应及能量吸收特性

针对传统正方形蜂窝，通过用更小的双向内凹结构胞元替代原蜂窝材料的结构节点，得到了一种具有负泊松比特性的节点层级蜂窝材料模型。利用显式动力有限元方法，研究了冲击荷载作用下该负泊松比蜂窝结构的动力学响应及能量吸收特性。研究结果表明，除了冲击速度和相对密度，负泊松比蜂窝材料的动力学性能亦取决于胞元微结构。与正方形蜂窝相比，该负泊松比层级蜂窝材料的动态承载能力和能量吸收能力明显增强。在中低速冲击下，试件表现为拉胀材料明显的"颈缩"现象，并展示出负泊松比材料独特的平台应力增强效应。基于能量吸收效率方法和一维冲击波理论，给出了负泊松比蜂窝材料的密实应变和动态平台应力的经验公式，以预测该蜂窝材料的动态承载能力。本文的研究将为负泊松比多胞材料冲击动力学性能的多目标优化设计提供新的设计思路。     

含微裂纹和椭球颗粒介质的强度及本构关系

针对含随机分布微裂纹及椭球颗粒的复合材料，通过考虑椭球颗粒内的本征应变及其与微裂纹的相互作用，利用等效夹杂方法研究了微裂纹损伤对材料有效模量和强度的影响，推导了复合材料的细观应力场及本构关系，并导出了材料破坏的临界条件．     

关于负泊松比的材料力学课程教学拓展与探索

泊松比是材料力学课程教学中的重要力学概念与材料弹性常数之一。本文对现有材料力学课程中泊松比教学内容进行了拓展和补充,引入了负泊松比效应概念,并介绍了常见的负泊松比材料及其力学性能优势。重点基于内凹蜂窝超材料,详细介绍了实现负泊松比效应的超材料力学理论分析及其教学实践;并借鉴虚拟仿真实验概念,应用有限元数值分析方法,对超材料的负泊松比效应进行仿真分析与讨论,直观地展示了超材料的力学变形模式及其负泊松比效应。从而以此为切入点,加深学生对弯曲内力、挠度、应变和泊松比等重点知识的理解与实践运用。     

舰艇新型宏观负泊松比效应蜂窝舷侧防护结构

提出一种具有宏观负泊松比效应的新型蜂窝舷侧防护结构,通过对负泊松比效应蜂窝胞元特殊结构构型设计,实现中等弹速下良好抗爆抗冲击性能。利用有限元动力学分析软件,研究鱼雷或导弹水下对舷侧防护结构的撞击侵入和穿透过程,对比研究了不同蜂窝构型、材料、胞元尺寸和胞壁厚度对舷侧结构抗冲击性能的影响。结果表明,蜂窝防护结构具有良好的抗冲击性能,负泊松比蜂窝构型较正泊松比蜂窝构型抗冲击性能更优。     

泊松比对钢管混凝土拱桥极限承载力的影响

主要研究在几何和材料双非线性影响下,分析大跨度钢管混凝土拱桥钢管内混凝土泊松比变化对桥梁极限承载力的影响.。以某桥为背景,利用ansys程序进行三维有限元仿真分析,在考虑混凝土泊松比变化情况下,逐步改变核心混凝土泊松比直至结构破坏,并与不考虑混凝土泊松比变化的情况相比较,以考察核心混凝土泊松比变化对桥梁极限承载力影响程度,得出在对拱桥的极限承载力分析时,考虑钢管对核心混凝土的套箍作用,可使极限承载力比不考虑混凝土泊松比变化时的计算值高出10%。     

负泊松比的分析与实验

本文讨论了各向同性线弹性与线粘弹性材料泊松比的取值范围.列举了负泊松比材料的实验数据,并简要讨论了负泊松比现象的一种机制.     

基于三相球模型确定泡沫塑料有效模量

通过复合材料三相球模型确定泡沫塑料的体积模量、剪切模量、杨氏模量和泊松比等材料等参数与材料孔隙比的关系，并将该文结果同微分法得到的结果进行了对比；结果表明：三相球模型确定的材料参数在相同孔隙比情况下，一般都高于微分法确定的结果，两种方法得到的有效剪切模量和杨氏模量差异较小，而体积模量和泊松比则差异较大，然而，由三相球模型确定的泡沫塑料杨氏模量仍可与实验较好地符合。此外，该文结果也同现有的理论及实验     

DETERMINATION OF EFFECTIVE MODULI FOR FOAM PLASTICS BASED ON THREE PHASE SPHEROIDAL MODEL

The relations of bulk modulus,shear modulus,Young's modulus and the Poisson's ra-tio with porosity of foam plastics are determined by a three phase spheroidal model commonly used inComposite Mechanics.The results are compared with those using differential scheme.It is shownthat the material properties derived from the present model normally are larger than those obtained bydifferential scheme for foam plastics with identical porosity.The differences in shear moduli andYoung's moduli obtained by the two methods are small,but they are larger for bulk moduli of incom-pressible matrix and Poisson's ratios.The Young's moduli of high density foam plastics derived by thepresent model agree better with experimental ones.     

聚氨酯泡沫塑料压缩杨氏模量的理论预测

通过微分法导出了泡沫塑料剪切模量和体积模量所满足的微分方程组，再利用联系泡沫塑料泊松比和孔隙比的Ｋｅｒｎｅｒ－Ｒｕｓｃｈ经验关系及泡沫塑料弹性常数间满足足的关系，在基体材料不可压缩的假设下，确定了泡沫塑料的杨氏模量。本文针对几种密度的泡沫塑料，分别对它们的杨氏模量进行了理论预测和实验测定，结果表明：理论预测的模量在较高密度下与实验符合的很好，在低密度下也给出相当好的近似值。此外，本文的结果同其他理     

Modeling and prediction of bulk properties of open-cell carbon foam

The emerging ultralightweight material, carbon foam, was modeled with three-dimensional microstructures to develop a basic understanding in correlating microstructural configuration with bulk performance of open-cell foam materials. Because of the randomness and complexity of the microstructure of the carbon foam, representative cell ligaments were first characterized in detail at the microstructural level. The salient microstructural characteristics (or properties) were then correlated with the bulk properties through the present model. In order to implement the varying anisotropic nature of material properties in the foam ligaments, we made an attempt to use a finite element method to implement such variation along the ligaments as well as at a nodal point where the ligaments meet. The model was expected to provide a basis for establishing a process-property relationship and optimizing foam properties.The present model yielded a fairly reasonable prediction of the effective bulk properties of the foams. We observed that the effective elastic properties of the foams were dominated by the bending mode associated with shear deformation. The effective Young's modulus of the foam was strongly influenced by the ligament moduli, but was not influenced by the ligament Poisson's ratio. The effective Poisson's ratio of the foam was practically independent of the ligament Young's modulus, but dependent on the ligament Poisson's ratio. The effective Young's modulus of the carbon foam was dependent more on the transverse Young's modulus and the shear moduli of the foam ligaments, but less significantly on the ligament longitudinal Young's modulus. A parametric study indicated that the effective Young's modulus was significantly improved by increasing the solid modulus in the middle of the foam ligaments, but nearly invariant with that at the nodal point where the ligaments meet. Therefore, appropriate processing schemes toward improving the transverse and shear properties of the foam ligaments in the middle section of the ligaments rather than at the nodal points are highly desirable for enhancing the bulk moduli of the carbon foam.     

Kelvin结构开孔泡沫材料的弹性性能研究

采用一修正的十四面体结构模型(Kelvin结构模型)对开孔泡沫金属的弹性性能进行研究,对低密度开孔泡沫材料表现出不可压的特性进行了分析。该模型考虑作用在泡沫筋条上的弯矩、剪力和轴向力,以及轴向力的平衡。修正模型的数值计算结果与实验结果及其他模型的结果进行了对比,结果表明修正模型计算的杨氏模量比原有模型的略有提高,筋条截面为星形的修正模型计算的结果与实验比较符合。在密度等同的条件下,筋条截面惯性矩越大的开孔泡沫材料,其弹性模量也越大,而泊松比则越小。Kelvin结构的开孔泡沫材料的泊松比随相对密度的减小而趋于0.5。     

EFFECT OF SPECIMEN ASPECT RATIO ON FATIGUE LIFE OF CLOSED CELL Al-Si-Ca ALLOY FOAM

Quasi-static and compressive fatigue tests on the closed cell Al-Si-Ca alloy foam specimens with three different aspect ratios were performed. It turned out that the onset of cyclic shortening of foam with a lower aspect ratio took place earlier and the fatigue strength was lower compared with the specimen with a higher aspect ratio, although all the dimensions of specimen satisfied the seven times the cell size criterion, while the quasi-static stress-strain curves were almost same having same Young＇s modulus, yield stress and plateau stress. Therefore, the seven times the cell size criterion for the quasi-static compression behavior was not applicable to the fatigue analysis of Al-Si-Ca alloy foam.     

聚氨酯泡沫塑料的强度与断裂韧性

针对3种密度的聚氨酯泡沫塑料进行了拉伸实验。通过无缺口试件确定了3种密度泡沫塑料的拉伸断裂强度,而利用有缺口试件确定了这些材料的拉伸断裂韧性。为了研究高密度泡沫塑料的拉伸断裂机制,还对破坏后试件进行了扫描电镜分析。此外,还简要讨论了泡沫塑料拉伸断裂力学性能的理论预测问题。     

关于泡沫塑料各向异性模型的修正

本文研究了开孔泡沫塑料的力学各向异性问题。在已有模型的基础上，结合扫描电镜的分析结果提出了对Ｋａｎａｋｋａｎａｔ模型和Ｈｕｂｅｒ－Ｇｉｂｓｏｎ模型的修正。这种修正反映了开孔泡沫塑料支柱的横向尺寸比对泡沫塑料各向异性性质的影响     

聚氨酯泡沫塑料在应力波加载下的压缩力学性能研究

通过ＳＨＰＢ冲击实验装置研究了硬质聚氨酯泡沫塑料在应力波加载下的动态力学性能，得到了泡沫塑料在较高应变率下的应力－应变曲线；确定了泡沫塑料的动态屈服强度和动态弹性模量等力学参数，并同落锤冲击实验及准静态压缩实验的结果进行了比较。     

玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料的压缩力学性能研究

本文研究了两种不同密度的玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料在准静态压缩下的力学性能。给出了与相应密度的普通泡沫塑料力学性能的比较，实验结果表明：两种增强泡沫塑料在压缩载荷作用下，具有不同于普通泡沫塑料的应力－应变特性，压缩模量和强度一般均有不同程度的提高，而且对相同纤维含量的增强泡沫塑料来说，密度较高的材料增强效果较好。