星型负泊松比超材料防护结构抗爆抗冲击性能研究

采用数值方法对星型宏观负泊松比效应夹芯结构的抗冲击响应过程以及抗水下爆炸过程中的破坏形式进行了研究:探讨了星型负泊松比结构胞元壁厚、层数和胞元泊松比等参数对弹体侵彻及水下爆炸防护性能的影响。研究结果表明:对于高速或超高速弹体侵彻问题，单纯依靠结构性的被动防御无法应对；负泊松比效应蜂窝夹芯防护结构相较常规防护结构具有良好的水下抗爆性能；等质量条件下，泊松比的变化对抗爆性能影响明显，层数3层、泊松比为?1.63的星型夹芯结构的抗爆性能相对更优；等壁厚条件下，其水下抗爆性能随蜂窝胞元层数减小而增强。     

厚度梯度型箭形负泊松比蜂窝基座抗冲击性能

设计了一种箭形负泊松比的蜂窝基座结构，推导了其胞元结构的力学性能解析公式，并利用有限元方法研究了具有厚度梯度箭形负泊松比蜂窝材料的抗冲击性能。基于功能梯度材料，其基体呈连续梯度变化的概念，以胞元壁厚为自变量，设计了顺厚度梯度、逆厚度梯度型和均匀厚度的蜂窝层，并建立基座模型。在基座质量不变的前提下具体讨论了蜂窝胞元凹角及厚度梯度的不同设置情况对基座抗冲击性能的影响。结果表明，相同梯度设置情况下，胞角的变化会引起蜂窝结构等效弹性模量的变化，进而改变基座的抗冲击性能，而将胞壁厚度较小的蜂窝层放置于迎冲端时，基座整体的应力水平明显降低；将壁厚较大的蜂窝层放置于迎冲端时，基座面板的输出冲击环境能够有效地得到控制。     

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。     

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。     

负泊松比结构力学设计、抗冲击性能及在车辆工程应用与展望

轻量化多功能负泊松比结构由于具有优异的可设计性、拉胀特性、剪切模量、断裂韧性、抗冲击吸能、减震降噪等特性,在车辆吸能结构设计和多功能优化方面具有巨大的应用潜力.本文详细综述了负泊松比结构的力学设计及其在车辆工程中的典型应用:(1)负泊松比基本概念及其力学特性, 以及近几十年来的快速发展趋势;(2)负泊松比材料与结构构型设计方法的基本分类、负泊松比泡沫材料微结构特征及制备工艺、负泊松比复合材料设计方法的基本发展历程以及前沿人工智能设计方法;(3)针对典型负泊松比结构的力学设计进行详细介绍, 主要包括手性结构、方格旋转结构、双箭头内凹结构、内凹蜂窝结构、拉伸扭转效应负泊松比结构等;(4)负泊松比材料与结构的冲击吸能特性及相关的实验、理论和模拟研究;(5)负泊松比材料与结构在汽车轻量化设计领域的典型应用, 主要包括汽车吸能盒、B柱、发动机罩、安全带、悬架、免充气轮胎等典型吸能结构件;(6)负泊松比结构在汽车工程中的应用前景, 所面临技术挑战和巨大应用潜力.      

具有负泊松比效应蜂窝材料的面内冲击动力学性能

基于显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA,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。在保证胞元壁长和壁厚不变的前提下,通过改变胞元扩张角,建立了内凹六边形蜂窝模型。 具体讨论了胞元扩张角和冲击速度对蜂窝材料面内冲击变形和能量吸收能力的影响。研究发现,在冲击载荷 作用下,内凹蜂窝材料的面内冲击性能依赖于胞元扩张角。胞元扩张角的绝对值越大,冲击端的平台应力越 高。随着冲击速度的提高,蜂窝材料表现出更强的能量吸收能力。     

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.      

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。     

负泊松比蜂窝夹层板的振动特性研究

研究了负泊松比蜂窝夹层板几何参数变化对板振动频率的影响,并得到了频率随泊松比的变化规律。在Reddy高阶剪切变形理论的基础上,利用Hamilton原理,推导出四边简支边界条件下的负泊松比蜂窝夹层板的偏微分运动方程。根据修正后的Gibson公式,考虑了蜂窝胞元壁板的弯曲和伸缩变形,重新计算了蜂窝芯层胞元的等效弹性参数。利用Navier法,选择合适四边简支边界条件的模态函数,得出板的长厚比分别为0.01、0.05、0.10,芯厚比分别为0.80、0.85、0.90、0.95和蜂窝芯胞元倾角分别为-30°、-60°、0°、30°、60°等情况下系统的前五阶固有频率。研究结果表明,系统的固有频率随板的芯厚比、蜂窝芯胞元倾角、蜂窝芯壁厚与斜壁之比的增加都在减小,而随着板长厚比的增加而增加。分析了泊松比的变化对系统固有频率的影响,发现负泊松比蜂窝夹层板的固有频率要明显小于传统正泊松比蜂窝夹层板。本文所得结果对进一步研究系统的多模态共振具有指导意义,为负泊松比蜂窝夹层结构的工程应用在减振设计方面提供一定的理论依据。     

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。     

水下接触爆炸下防雷舱舷侧空舱的内压载荷特性

采用模型实验方法,研究了近自由面水下接触爆炸下防雷舱舷侧空舱的内压载荷特性。根据实验模型的破坏结果和压力测试结果,分析了水下爆炸产物与防雷舱舷侧空舱的相互作用过程以及水下爆炸产物的压力变化规律。研究表明:防雷舱舷侧空舱的载荷可分为冲击波载荷、准静态压力载荷和负压载荷3种,防雷舱舷侧空舱的破坏主要由冲击波载荷和准静态压力载荷造成,并且准静态压力载荷的比冲量是冲击波载荷的数倍,而负压载荷对防雷舱舷侧空舱破坏的影响可忽略不计。     

零泊松比手风琴蜂窝等效模量

柔性蒙皮是变形机翼和风力机叶片的关键组成部分。一维变形的柔性蒙皮不仅要求其支撑结构具有良好的面内变形和面外承载能力,还需要具有零泊松比特性。手风琴蜂窝具有零泊松比特性,可用作一维变形柔性蒙皮支撑。为全面分析其面内外弹性变形特性,综合考虑结构的内力弯矩、轴力和剪力,通过卡氏第二定理对其x向等效弹性模量和x-y面内等效剪切模量进行了推导;利用最小余能原理和最小势能原理确定了x-z面内的等效剪切模量;此外还推导了其y和z向的等效弹性模量以及y-z面内的等效剪切模量;然后通过ANSYS有限元仿真对等效模量理论公式进行了验证;最后将本文理论模型与现有模型进行了比较。结果表明,理论公式和有限元仿真吻合较好,在结构设计时采用较大的斜梁高度系数h和斜梁间距系数g,较小的厚度系数t以及较大的竖直梁厚度系数η,有望获得具有较小面内刚度和较大面外刚度的手风琴蜂窝结构。该结果可用于手风琴蜂窝面内外等效模量的快速预测,为一维变形柔性蒙皮的结构设计提供相应的参考。此外,本文理论模型相比传统模型更为精确且具有更加广泛的应用范围。     

Auxetic frameworks inspired by cubic crystals

In this work we show that a structure consisting of a network of bending beams can exhibit a negative Poisson’s ratio. We have shown that the negative Poisson’s ratio behaviour is driven by the (bcc analogous) type III beams, the type II (fcc like) beams result in a structure with a Poisson’s ratio of around zero and type I (simple cubic configuration) beams result in a Poisson’s ratio of nearly +1. The tensile and shear strengths of the type III beams are augmented by addition of type II and type III beams. By tailoring the relative stiffness of the component beams within the structure it is possible to design an auxetic truss structure with specific Poisson’s ratio, tensile and shear moduli.This validates the hypothesis that crystal structures can provide inspiration for macro structures with tailored mechanical properties where the mechanism for negative Poisson’s ratio (auxetic) behaviour at the atomic scale in cubic crystals is replicated by bending beams.     

Dynamic Crushing Strength Analysis of Auxetic Honeycombs

The in-plane dynamic crushing behavior of re-entrant honeycomb is analyzed and compared with the conventional hexagon topology.Detailed deformation modes along two orthogonal directions are examined,where a parametric study of the effect of impact velocity and cell wall aspect ratio is performed.An analytical formula of the dynamic crushing strength is then deduced based on the periodic collapse mechanism of cell structures.Comparisons with the finite element results validate the effectiveness of the proposed analytical method.Numerical results also reveal higher plateau stress of re-entrant honeycomb over conventional hexagon topology,implying better energy absorption properties.The underlying physical understanding of the results is emphasized,where the auxetic effect(negative Poisson's ratio) induced in the re-entrant topology is believed to be responsible for this superior impact resistance.     

Analysis of the geometrical dependence of auxetic behavior in reentrant structures by finite elements

Materials with a negative Poisson's ratio(PR)are called auxetics;they are characterized by expansion/contraction when tensioned/compressed.Given this counterintuitive behavior,they present very particular characteristics and mechanical behavior.Geometrical models have been developed to justify and artificiall reproduce such materials' auxetic behavior.The focus of this study is the exploration of a reentrant model by analyzing the variation in the PR of reentrant structures as a function of geometrical and base material parameters.It is shown that,even in the presence of protruding ribs,there may not be auxetic behavior,and this depends on the geometry of each reentrant structure.Values determined for these parameters can be helpful as approximate reference data in the design and fabrication of auxetic lattices using reentrant geometries.