曲壁蜂窝夹层板的振动特性研究

曲壁蜂窝具有负刚度特性,可以在大变形过程中吸收能量、抗冲击,并且在冲击过后可以自我恢复而不像传统蜂窝被压溃。本文将曲梁构成的负刚度蜂窝作为芯层,建立夹层板的动力学模型;推导出了曲壁负刚度蜂窝胞元的等效弹性参数,将其周期性排列为蜂窝芯,应用Reddy高阶剪切变形理论、Von-Karman大变形关系和Hamilton原理推导了负刚度蜂窝夹层板的非线性动力学方程;应用Navier法计算了四边简支边界条件下的固有频率。并利用有限元软件ABAQUS建立模型,计算固有频率,与理论计算结果进行比较,结果显示二者的计算结果具有较好的一致性,验证了芯层等效弹性参数及模型的有效性。探讨了在蜂窝胞元具有较高吸能情形下,夹层板在不同芯层厚度、不同芯厚比以及不同胞元曲壁厚度时的固有频率的变化特性。     

考虑材料各向异性的熔丝制造PLA点阵结构弹性各向同性设计

增材制造技术的兴起激发了国内外学者对结构创新设计的热情. 然而, 增材制造材料的各向异性为结构力学性能的预测与设计带来了一定的困难. 为了准确预测熔丝制造聚乳酸(PLA)材料和点阵结构的弹性性能, 并实现点阵结构的弹性各向同性设计, 首先, 本文采用正交各向异性弹性模型来描述PLA材料的弹性行为, 通过实验和计算得到了正交各向异性模型需要的9个独立的弹性常数. 然后, 设计了一种力学性能可调的二维组合桁架点阵结构, 基于代表体元法, 在不考虑材料各向异性的情况下推导出了其平面内等效弹性性能的解析表达式及弹性各向同性条件. 最后, 根据PLA材料的各向异性调整点阵结构内部杆件的弹性模量和厚度, 并基于代表体元法重新推导出了点阵结构平面内等效弹性性能的解析表达式及其弹性各向同性条件. 研究结果表明, 正交各向异性弹性模型适用于描述熔丝制造PLA材料的弹性行为, 基于该模型能够准确预测PLA材料在任意方向上的弹性模量. 在预测与设计熔丝制造点阵结构的力学性能时需要充分考虑材料的各向异性. 在考虑材料的各向异性之后, 基于代表体元法调整点阵结构的几何尺寸, 能够实现部分点阵结构的弹性各向同性设计.      

Hierarchical honeycombs with tailorable properties

We investigated the mechanical behavior of two-dimensional hierarchical honeycomb structures using analytical, numerical and experimental methods. Hierarchical honeycombs were constructed by replacing every three-edge vertex of a regular hexagonal lattice with a smaller hexagon. Repeating this process builds a fractal-appearing structure. The resulting isotropic in-plane elastic properties (effective elastic modulus and Poisson’s ratio) of this structure are controlled by the dimension ratios for different hierarchical orders. Hierarchical honeycombs of first and second order can be up to 2.0 and 3.5 times stiffer than regular honeycomb at the same mass (i.e., same overall average density). The Poisson’s ratio varies from nearly 1.0 (when planar ‘bulk’ modulus is considerably greater than Young’s modulus, so the structure acts ‘incompressible’ for most loadings) to 0.28, depending on the dimension ratios. The work provides insight into the role of structural organization and hierarchy in regulating the mechanical behavior of materials, and new opportunities for developing low-weight cellular structures with tailorable properties.     

正六角形蜂窝夹芯层弯曲刚度理论分析

论文研究了由正六角形胞元构成的正六角形蜂窝夹芯层弯曲刚度.由于正六角形蜂窝夹芯层受面内载荷作用时在胞元斜壁上引起的弯矩与受面外载荷作用时在胞元斜壁上产生的弯矩有所不同,因此,基于面内变形的正六角形蜂窝夹芯层面内等效弹性参数不能用于计算正六角形蜂窝夹芯层弯曲变形.论文基于正六角形蜂窝夹芯层产生弯曲变形时三胞元壁板连接处转角为零的条件会导致正六角形胞元斜壁产生扭曲变形的事实,提出了一种新的正六角形蜂窝夹芯层理论分析方法.用论文方法计算得到的数值结果与有限元商用软件MSC.Marc计算得到的数值解进行对比,表明论文方法不但有效而且可行.     

Elastic properties of chiral,anti-chiral,and hierarchical honeycombs:A simple energy-based approach

The effects of two geometric refinement strategies widespread in natural structures, chirality and self-similar hierarchy, on the in-plane elastic response of two-dimensional honeycombs were studied systematically. Simple closed-form expressions were derived for the elastic moduli of several chiral, antichiral, and hierarchical honeycombs with hexagon and square based networks. Finite element analysis was employed to validate the analytical estimates of the elastic moduli. The results were also compared with the numerical and experimental data available in the literature. We found that introducing a hierarchical refinement increases the Young's modulus of hexagon based honeycombs while decreases their shear modulus. For square based honeycombs, hierarchy increases the shear modulus while decreasing their Young's modulus. Introducing chirality was shown to always decrease the Young's modulus and Poisson's ratio of the structure. However, chirality remains the only route to auxeticity. In particular, we found that anti-tetra-chiral structures were capable of simultaneously exhibiting anisotropy, auxeticity,and remarkably low shear modulus as the magnitude of the chirality of the unit cell increases.     

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考虑共面载荷作用时薄壁蜂窝铝孔壁的弯曲、伸缩和剪切变形,基于Timoshenko粱理论精 确推导出了其共面弹性模量的计算公式,并利用壳单元设计了利用蜂窝铝特征单元来求共异 面弹性模量的有限元方法. 对厂家提供的两种蜂窝样品分别利用理论和有限元法进行了计算, 计算结果和实验数据相吻合,证明理论公式和有限元法的正确性. 最后就结构参数对蜂窝铝 各弹性模量相关材料效率的影响规律进行了分析.     

金属蜂窝夹层结构抗水下爆炸特性

金属蜂窝夹层结构是一种新型的舰船防护结构,在舰船防护领域具有广阔的应用前景,但目前缺乏对其在实际水下爆炸载荷作用下动态响应的研究。为研究金属蜂窝夹层结构在水下爆炸载荷作用下的动态响应及防护性能,设计并制备了背板加筋蜂窝夹层结构样件以及相应的浮箱,在大型露天水池中进行了水下实爆 实验;通过声固耦合算法对结构响应进行模拟,实验结果与模拟结果吻合良好,随后分析了蜂窝夹层板的变形过程及能量吸收特性,量化了载荷参数（冲击因子）及结构参数（前后面板厚度比和芯体相对密度）对结构动态响应的影响;最后,以蜂窝夹层板的面密度和后面板中心点最大变形的无量纲量为目标函数,使用NSGA-Ⅱ遗传算法对结构进行了多目标优化,得到对应的Pareto前沿。结果表明,随着冲击因子的增大,蜂窝夹层板整体变形显著增大,蜂窝芯体始终是主要的吸能构件,但其吸能占比逐渐降低;随着前后面板厚度比或芯体相对密度的增加,蜂窝夹层结构的最大变形呈现先降低后升高的趋势,同时呈现不同的变形模式,芯体相对密度对结构变形的影响更为显著;对蜂窝夹层结构开展多目标优化可有效降低结构的面密度及最大变形,优化结果可为蜂窝夹层结构的设计选型提供参考。     

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。     

考虑蜂窝高度效应的蜂窝夹芯板稳定性分析

蜂窝芯层等效弹性参数因受表板影响与其高度紧密相关,而传统蜂窝夹芯板稳定性模型未对其加以考虑。本文基于精化锯齿层合板理论,建立了蜂窝夹芯板稳定性模型。模型借助于解析均匀化方法获取蜂窝芯层等效模量,并因引入该方法而能够反映由蜂窝高度改变引起的蜂窝芯子等效模量变化对屈曲载荷产生的影响,即捕捉到了蜂窝芯子的高度效应。以四边简支蜂窝夹芯方板受单向面内压缩载荷作用为例进行了算例分析。算例结果表明,蜂窝芯子高度效应在蜂窝高度较低时明显,随着蜂窝高度增加,高度效应逐渐减弱。此外,高度效应在蜂窝芯层厚度比例较大时明显,随着蜂窝芯层厚度比例的持续下降,高度效应减弱直至消失。     

增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料力学性能理论研究

前期研究工作中, 基于有限元分析, 作者发展了一种在大变形范围内具有可调恒定负泊松比的新型增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料. 为了揭示微观结构?力学性能关系, 并进一步指导超材料目标参数设计, 本文在小变形框架下基于能量法建立了表征该拉胀材料等效泊松比和弹性模量的理论模型. 增强六手臂缺失支柱手性拉胀材料由“Z”型手臂元件组成. “Z”型手臂可以被假设为两端简支的欧拉?伯努利梁. 因此, 本文首先推导了两端受集中力和力偶的任意形状欧拉?伯努利梁的应变能. 然后, 考虑平衡条件和变形协调条件进一步给出了材料等效泊松比和弹性模量的理论表达式. 研究表明只有“Z”型梁的内外手臂比为2:1时, 理论表达式才有简洁的形式. 为了更好地利用所推导的理论表达, 基于理论推导, 本文开发了MATLAT图形用户界面 (GUI). 在GUI中输入可描述该超材料几何形状的独立几何参数, 即可直接获取其等效泊松比和弹性模量. 最后, 基于理论结果, 系统讨论了超材料微结构几何参数对其等效力学性能的影响, 并将理论解与有限元计算结果进行了对比. 结果表明, 可以通过调控微结构几何参数获取大范围的目标力学性能.