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。     

负泊松比蜂窝材料抗爆炸特性及优化设计研究

为了深入研究车辆底部防护组件爆炸冲击下的结构响应，提高防护型车辆的抗爆炸冲击性能，建立了某车辆底部防护组件在爆炸冲击下的有限元模型，并进行爆炸冲击台架试验验证了有限元模拟的可靠性；将内凹六边形负泊松比蜂窝材料作为防护组件的夹芯部分，分析负泊松比蜂窝材料在爆炸冲击下的变形模式，并对比了同等质量的其他3种防护组件的抗爆炸冲击性能。结果表明，含有负泊松比蜂窝夹芯的防护组件具有更优的抗爆性能。建立了以内凹六边形负泊松比蜂窝胞元尺寸参数为设计变量的多目标优化问题的数学模型，采用多目标遗传算法获得胞元几何参数的最优方案，有效降低了防护组件基板的最大挠度和最大动能。     

轻质点阵超结构设计及多功能力学性能调控方法

随着先进制造技术、多学科交叉和人工智能科技的飞速发展, 高端装备呈现出轻量化、集成化、复合化、功能化、智能化、柔性化和仿生化等发展趋势. 传统结构研究存在结构设计和制造相互分离, 复杂结构制造效率低、实际制造结构的性能指标和使用可靠性大幅低于设计理论预测、结构多功能一体化程度不足、经济成本过高等问题. 此外, 先进工业装备对材料、结构的使用性能、使用环境要求越来越高, 亟需开展结构的设计、制造、功能、应用一体化研究, 为解决我国先进制造“卡脖子”技术难题提供理论依据和技术支持. 轻量化多功能点阵超结构具有轻质高强、抗冲击吸能、减振降噪等性能优势, 在航空航天、交通运输、国防、生物医疗、能源、机械等工业领域具有巨大的应用潜力. 有鉴于此, 受多晶体微结构的多尺度力学设计启发, 以“点阵超结构力学设计”为主题, 开展点阵超结构的节点、杆件组元, 胞元类型、双相结构、梯度结构、多层级结构等典型点阵超结构的几何构筑和力学设计, 并阐明多晶体多尺度微观结构启发的点阵超结构力学设计基本原理、多功能力学性能调控方法, 以及点阵超结构在不同类型载荷下的结构变形和失效物理机理.      

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。     

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.     

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.      

轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展

多孔夹芯结构是一类由薄而刚硬的面板和多孔材料芯材构成的复合结构,具有高比刚度、高比强度、缓冲吸能效果优异、可设计性强等特性,在航空航天、交通运输、结构防护等诸多领域引起了广泛关注,且已有诸多成功的工程应用案例,是一类极具潜力的先进轻质高强多功能一体化结构.为阐明轻质多孔夹芯结构的抗侵彻特性与耗能机理,进一步拓展轻质多孔夹芯结构的工程应用范围,对轻质多孔夹芯结构弹道侵彻行为的研究成果进行了系统的综述和展望,依据轻质多孔夹芯结构的结构特征及类型,分别评述了不同类型多孔夹芯结构的抗弹道侵彻破坏机制、能量耗散机理及轻量化设计等方面的研究,展望了未来多孔夹芯结构在抗弹道侵彻研究领域面临的问题和挑战.     

负泊松比蜂窝面内动态压缩行为与吸能特性研究

利用有限元软件ANSYS-LSDYNA研究了负泊松比蜂窝结构面内冲击动力学特性。在壁长和相对密度不变的前提下,建立了负泊松比蜂窝模型;通过改变胞元扩展角,讨论了冲击速度对蜂窝材料面内冲击变形模式和能量吸收能力的影响。数值研究发现,冲击载荷作用下负泊松比蜂窝结构的面内冲击性能更多依赖于冲击速度。提高冲击速度,冲击端的峰值应力、平台应力、试件的比吸能均增高;但在相同冲击速度下,冲击端和支撑端的峰值应力、平台应力、试件的比吸能均随胞元扩展角的增大而降低。     

三浦折纸超材料结构数字化设计与模型验证

折纸结构在航空航天、柔性电子、汽车船舶和建筑结构等领域具有较好的应用前景. 三浦折纸单元沿三向拓展可构建出三浦折纸超材料结构, 具有高孔隙、可自锁、平面折展、负泊松比、形态可控等特性. 为了便于生成折纸超材料结构的复杂三维模型、推广应用于缓冲吸能结构及可展结构, 本文利用Matlab和Grasshopper软件, 发展了三浦折纸超材料结构的数字化设计方法, 利用数字化建模及3D打印技术, 实现了零厚度及非零厚度三维折纸模型的统一建模, 并开展了物理模型验证分析, 探讨了3D打印制作折纸超材料结构模型的优缺点; 推导了三浦折纸超材料的折痕长度、相对密度、折叠率等特性与几何参数的关系, 利用Abaqus/Explicit软件开展了结构准静态压缩过程分析与验证, 揭示相对密度对结构吸能指标的影响规律. 研究结果表明, 折纸超材料结构数字化设计方法高效、准确, 便于结构选型及优化分析, 所得三维模型结果与理论值吻合较好. 当胞元面板构型、面板厚度及结构折痕总长不变时, 相对密度较小的三浦折纸超材料结构具备更为优异的吸能效率.      

Near-zero Poisson's ratio and suppressed mechanical anisotropy in strained black phosphorene/SnSe van der Waals heterostructure: a first-principles study

Black phosphorene (BP) and its analogs have attracted intensive attention due to their unique puckered structures, anisotropic characteristics, and negative Poisson's ratio. The van der Waals (vdW) heterostructures assembly by stacking different materials show novel physical properties, however, the parent materials do not possess. In this work, the first-principles calculations are performed to study the mechanical properties of the vdW heterostructure. Interestingly, a near-zero Poisson's ratio v_zx is found in BP/SnSe heterostructure. In addition, compared with the parent materials BP and SnSe with strong in-plane anisotropic mechanical properties, the BP/SnSe heterostructure shows strongly suppressed anisotropy. The results show that the vdW heterostructure has quite different mechanical properties compared with the parent materials, and provides new opportunities for the mechanical applications of the heterostructures.     

轻质多孔材料研究进展

高超声速武器是军事装备的发展方向,在未来战争中起着重要作用.轻质材料是高超声速飞行器设计与制造的关键技术之一,它是实现高超声速飞行器高超声速、高机动性、远程打击等性能的基础和保障.高超声速飞行器轻质材料主要有蜂窝材料、泡沫金属材料、点阵材料.这些材料具有超轻、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能,以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽等特殊性质,它兼具功能和结构双重作用,是一种性能优异的多功能材料.本文从材料制备、结构设计、力学与物理性能表征等方面综述了高超声速飞行器轻质材料的研究与应用现状,比较了三种轻质材料的机械和物理性能,重点评述了新型点阵材料的制备工艺、结构构型、力学及其他性能,指出了其发展趋势.     

In-plane mechanical behaviors of 2D repetitive frameworks with four-coordinate flexible joints and elbowed beam members

The mechanical properties of an open-framework structure constructed of joints and beam members are strongly influenced by both its geometrical configuration and joint flexibility. This paper clarifies the relationship between joint flexibility and Poisson's ratio, which is a mechanical criterion for solid deformation, and discusses two types of in-plane anisotropic structures made up of four-coordinate flexible joints and elbowed beam members. Uniaxial tensile analyses estimate the linear and nonlinear elastic properties of these frameworks by applying straightforward joint modeling with multi-rotational degrees of freedom. The numerical results show that these proposed frameworks produce a variety of deformability dependent on the joint flexibility in auxetic deformation with a negative Poisson's ratio, the folding mechanics under kinematic indeterminacy, and the transition of Poisson's ratio between the positive and negative values. The geometrical and topological aspects of the obtained mechanical behaviors are discussed.     

新型负刚度吸能结构力学特性分析

负刚度结构作为一种具有广泛应用前景的力学超材料, 在吸能、减振及降噪等领域呈现出显著的优势, 但传统负刚度结构较低的比能吸收效率以及多稳态非自主回弹等特征, 严重限制了其工程应用. 为解决该问题, 通过单胞构型设计, 提出了一种新型可自主回弹的三维负刚度结构. 该结构利用串联的负刚度单胞在加载?卸载过程中, 曲梁胞元的自主反弹, 实现结构循环加载和多次重复利用; 通过凹槽深度设计抑制单胞多稳态的出现, 并且通过调整侧壁厚度, 控制曲梁屈曲模态的形式, 从而增大负刚度临界载荷差值, 实现吸能效率的显著提升. 随后为实现在复杂载荷环境下的高吸能, 对结构尺寸进行梯度设计, 提出了一种梯度负刚度结构, 利用有限元方法比较分析梯度负刚度结构与均匀负刚度结构在不同载荷作用下的吸能效果. 研究结果表明, 该梯度结构因微结构尺寸的不同, 具有不同的负刚度临界载荷最大值, 从而使其在不同的冲击载荷环境下, 在实现自主回弹的基础上, 均呈现出较好的吸能效率. 该新型负刚度结构为振动控制和结构重组等工程应用提供了技术支持.      

Wave Propagation Characteristics in Thick Conventional and Auxetic Cellular Plates

Based on Mindlin plate models and Kirchhoff plate models,this study was concerned with the wave propagation characteristics in thick conventional and auxetic cellular structures,with the objective to clarify the effects of negative Poisson's ratio,shear factor and orthotropic mechanical properties on the dynamic behaviors of thick plates.Numerical results revealed that the predictions using variable shear factor in Mindlin plate models resulted in high wave frequencies,which were more significant for plates with negative values of Poisson's ratio.The present study can be useful for the design of critical applications by varying the values of Poisson's ratio.     

基于拓扑描述函数的特定性能材料设计方法

研究了拓扑描述函数在材料设计中的应用,给出了一种基于拓扑描述函数的特定性能材料设计问题的提法和求解方法.将拓扑描述函数表示成含参数的基函数之和,将材料微结构拓扑优化问题转化为设计基函数描述参数的尺寸优化问题,使问题求解更方便.基于拓扑描述函数的方法可以准确确定设计域上任意点的材料分布,避免了变密度法常出现的棋盘效应、设计变量和有限元单元相关的缺点;与传统的水平集方法相比,其优化模型可以利用现有的优化方法求解,避免了差分法求偏微分方程.具有正泊松比和负泊松比的特定弹性性能材料的设计算例,说明了基于拓扑描述函数的材料设计方法的有效性.