Young＇s modulus surface and Poisson＇s ratio curve for tetragonal crystals

This paper gives the general expressions for the compliance s′ijkl, Young＇s modulus E（hkl） and Poisson＇s ratio v（hkl, θ） along arbitrary loading direction [hkl] for tetragonal crystals. The representation surface for which the length of the radius vector in the [hkl] direction equals E（hkl） and representation curve for which the length of the radius vector with angle θ deviated from the reference directions [001^-], [100], [001^-], [101^-] and [112^-] equals v（100, θ）, v（001, θ）, v（110,θ）, v（101,θ） and v（111, θ） respectively, are constructed for nine tetragonal crystals （ammonium dihydrogen arsenate, ammonium dihydrogen phosphate, barium titanate, indium, nickel sulfate, potassium dihydrogen arsenate, potassium dihydrogen phosphate, tin and zircon）. The characteristics of them are analysed in detail.     

国产聚碳酸脂材料的拉伸力学行为

本文通过实验研究了国产聚碳酸脂材料的拉伸力学行为,得到了这种材料在不同应变速率下的真实应力—应变曲线。实验结果表明:聚碳酸脂为应变率敏感材料,在达到峰值应力之前,泊松比接近0.5,出现颈缩之后,其泊松比远超过极限值0.5,作为光塑性模型材料,应将应变控制在5.8%以内。     

基于AVR单片机的万能材料试验机控制系统

采用AVR单片机AT90S8515作为控制核心,通过步进电机带动丝杠运动,利用光栅编码器、高精度力传感器、2个引伸计分别测量了位移、力及试件横、纵变形,在老式电子万能材料实验机上建立了新型计算机控制系统,可方便测定弹性模量和泊松比.     

基于二维不同尺寸旋转刚性单元的负泊松比研究

负泊松比材料(也称拉胀材料)是一种具有特殊力学性能的新型功能材料,有着良好的应用前景.对于该类材料的变形机理研究,基于旋转刚性单元模型,提出一类新型多尺寸刚性矩形单元组合模型.该模型中不同尺寸的刚性矩形单元通过旋转铰链方式连接,在材料受单向外力作用下展现出宏观的负泊松比效应.在模型中通过对周期循环胞体的分析,得到了材料的泊松比随刚体单元之间夹角θ变化的解析表达式.结果表明,该模型的泊松比在夹角θ趋近90°时取极值,通过调整刚性单元的几何尺寸可以改变模型的泊松比的大小.这些结果对二维多胞拉胀材料的微结构设计具有参考价值.     

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.      

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L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-1.00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座.     

基于拓扑优化的新型蜂窝结构设计

可变体飞行器若要实现机翼后掠角、面积和前后缘弯度等参数的大幅度变化,机翼蒙皮需要具有光滑的气动外形、大变形、高承载以及驱动力小的特点。针对柔性蒙皮的需求,本文利用拓扑优化方法设计了一种新型零泊松比蜂窝结构,通过有限元仿真与U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构进行对比,验证其变形和承载等性能。以最大应变2%为基准,比较了三种蜂窝结构的变形能力。结果表明,新型蜂窝结构的拉伸变形量高达75%,分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的1.7倍和2.1倍。在最大位移量相同时,所需驱动力分别是U形蜂窝结构和余弦形蜂窝结构的0.51倍和0.28倍,表明新型蜂窝结构具有很大的易变形能力。当蜂窝结构的橡胶蒙皮受到相同压强载荷且处于初始未拉伸状态/拉伸状态时,新型蜂窝结构橡胶蒙皮的最大法向位移量分别是U形蜂窝橡胶蒙皮和余弦形蜂窝橡胶蒙皮的0.4倍/0.56倍和0.29倍/0.42倍,表明新型蜂窝结构具有良好的面外承载能力。另外,通过适当增加壁厚,可以提高新型蜂窝结构本身的抗弯曲能力。分析结果表明,本文设计的新型蜂窝结构具备大变形、高承载以及驱动力小的优点。     

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。