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。     

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。     

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。     

不同速度下负泊松比弧形结构的变形行为

高孔隙率的负泊松比蜂窝结构在能量吸收的过程中往往伴随剧烈的应力波动和显著的峰值应力,极易造成蜂窝结构的局部损坏,影响能量的连续吸收。为了减少局部破坏的产生,基于传统内凹六边形蜂窝胞元设计了一种反对称的弧形胞元,并通过不同的阵列方向,得到了2种新型反对称负泊松比弧形蜂窝结构。采用准静态压缩试验和有限元模拟的方法,探究了速度梯度对新型反对称弧形蜂窝结构模型的整体变形模式,不同层水平应变分布,变形机理,以及抗冲击性的影响。研究结果表明：不同于传统负泊松比蜂窝模型中出现大量的局部密实化区域,新型反对称负泊松比弧形蜂窝结构中局部密实带明显减少,结构中多层胞元组成的变形区域同时参与变形,整体表现出十分稳定的变形模式。这与最大水平应变的提高以及新型蜂窝结构抗冲击性的增强密切相关,特别是在中速模式下,新型反对称弧形蜂窝模型抗冲击性明显增强,冲击载荷效率达到78%,远高于传统蜂窝模型43%的冲击载荷效率;此外,反对称弧形蜂窝结构胞元还带动了相邻胞元之间的胞壁发生向上弯曲来抵抗弯矩。在低速模式下,2种新型反对称弧形蜂窝模型的最大水平应变分别提高了100%、36%;在中速模式下,2种模型均提高了39%。

     

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.     

智柔超材料及其力学性能的研究进展

力学超材料(或超结构)因其独特的微观结构设计而展现超常的物理和力学特性.将力学超材料设计思想与智能柔性(简称智柔)材料相结合,可以制备出具有自感知和自驱动功能的智柔力学超材料(简称智柔超材料).本文对近年来智柔超材料的研究现状和进展进行了评述,分析了此类材料的基本设计思想、变形机理及力学特性,重点关注了基于形状记忆聚合物和水凝胶智柔超材料的设计原理和性能分析方法;阐释了先进制造技术为智柔超材料发展带来的机遇,并讨论了此类材料在设计和开发方面面临的关键问题以及未来发展趋势.     

爆炸载荷下正弦曲边三维负泊松比夹芯板的动态响应和吸能特性

具有优异能量吸收特性的负泊松比结构在抗爆炸冲击防护领域有广阔的应用前景。为进一步提升夹芯板的抗爆性能,提出了一种在X、Y方向力学特性相同的正弦曲边三维负泊松比夹芯板用于防爆保护。采用数值模拟方法,对夹芯板在空爆载荷下的动态响应和吸能特性进行了研究,分析了夹芯板塑性拉伸和弯曲对背面板变形模式和轴向偏转分布的影响,并探究了爆炸距离、炸药质量、面板厚度和芯层关键结构参数对夹芯板变形和能量吸收的影响。结果表明,在空爆载荷下,夹芯板的动态响应过程可分为芯层压缩、整体变形和自由振动3个阶段。后面板在纵向（X方向）和横向（Y方向）上的抗变形能力无明显差异。随着炸药质量增加和爆炸距离减小,夹芯板的后面板中心位移增加,芯层吸能占比减小。此外,采用薄前面板和厚后面板的夹芯板可以提高芯层的吸能占比。当分别增加相同的前、后面板厚度时,前面板厚度对减小后面板中心位移的影响更显著。当芯层厚度从0.6 mm减小至0.2 mm时,后面板中心位移减小49.0%,总能量吸收增加86.7%;芯层振幅从0.2 mm增大至1.0 mm时,后面板中心位移减小20.7%,总能量吸收大致不变;芯层高度从10 mm增大至18 mm时,后面板中心位移减小88.3%,总能量吸收增加56.9%;芯层宽长比从0.56减小至0.2时,后面板中心位移减小39%,总能量吸收增加47.4%。

     

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.      

超弹性薄膜与可压缩基底双层结构表面失稳分析

当上层超弹性硬质薄膜和下层可膨胀基底构成的双层结构受压时,薄膜的自由表面可通过形成褶皱降低系统能量.研究表明,上下两层的模量比不同时,上层弹性硬质薄膜将表现出不同的表面失稳模式.本文提出了一种新颖的方法可有效抑制双层软材料的表面失稳,即改变基底材料的泊松比,这种方法同时适用于不具有应变硬化的软材料.首先基于Neo-Hookean模型发展了小变形条件下双层结构表面失稳的理论模型,通过半解析的方法得到了表面失稳的临界应变;然后通过有限元计算与模拟,进一步验证了负泊松比基底可延缓表面失稳.结果表明:(1)当双层结构基底泊松比为正且趋于0.5(不可压缩)时,双层结构在较小的压缩应变下出现表面失稳;(2)当基底的泊松比为负且趋于-1时,可被压缩至46%而不出现表面失稳,即可膨胀基底能有效抑制薄膜的表面失稳.本文发展的方法及主要结果可为延展性电子器件的设计提供指导.     

轻质波纹夹层结构的制备及其多功能应用研究进展

波纹夹层结构较其他轻质多孔材料具有结构简单、加工制造方便、制造成本低等优点,已得到广泛应用.本文概述了不同轻质波纹结构的构型及其表征方式,阐述了波纹夹层结构的制备及其无损检测技术,重点评述了波纹夹层结构的轻质高强、抗爆炸冲击、高效散热、吸声降噪、促动等多功能应用特性,总结了波纹夹层结构在工程应用上的关键进展,展望了波纹夹层结构在基础和应用研究方面的发展趋势.     

隧道及地下工程的基本问题及其研究进展1）

作为隧道及地下工程学科的3个基本问题,隧道围岩稳定性、支护--围岩相互作用和结构体系的动力响应一直都是本学科研究的核心问题,本文围绕上述问题重点分析了隧道围岩力学特性及其载荷效应,建立了深浅层围岩结构力学模型,并通过分析深层围岩中结构层稳定性得到了围岩特性曲线的解析公式,提出了围岩结构性特点及载荷效应的计算方法;通过对隧道支护与围岩作用关系的分析,将支护与围岩的动态作用分为4个阶段：即自由变形、超前支护、初期支护和二次衬砌阶段.由此提出了动态作用全过程的描述方法;基于广义与狭义载荷的理念,提出隧道支护具有调动和协助围岩承载基本功能的观点,明确了两种功能的实现方式,即通过围岩加固、超前加固及锚杆支护实现调动围岩承载,通过支护结构协助围岩承载;针对复杂的隧道支护结构体系,提出了多目标、分阶段协同作用动态优化概念,可使各种支护结构的施作实现时间和空间上的协调,提高可靠性;针对极不稳定的复杂隧道围岩的安全性特点,建立了3种模式的安全事故机理模型,基于工程响应特点提出了安全性分级的新理念,并形成了分级指标体系和分级方法;针对水下隧道及富水围岩条件,建立了3种模式的隧道突涌水机理模型,提出了基于围岩变形控制的安全性控制理论和方法.最后,对本学科发展的热点和核心问题进行了分析和展望.     

混凝土结构扭转理论研究的进展

本文回顾了国内外混凝土结构扭转理论的历史发展,尤其是最近十几年来的进展。文中就有代表性的斜弯理论和空间桁架理论进行了述评。并按照结构构件受纯扭、弯扭及弯剪扭联合作用等加载方式,对于素混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土结构扭转的计算方法进行了归纳。最后对我国开展混凝土结构扭转理论的研究提出了建议。      

高温条件下材料与结构力学行为的研究进展

本文回顾了最近十年来材料与结构高温力学行为若干热点问题的研究进展,包括高温下材料力学行为的多尺度特性、多组元材料的蠕变力学性能、拘束条件下的高温断裂理论、高温下的结构安全评定理论等.指出:为了保障重大高温装备的安全运行,并为高技术工艺装备的实现提供理论支撑,必须实现时间尺度与空间尺度上的事件的转换与关联,解决高温材料老化的物理化学动力学问题,理清应力应变场与化学动力学过程的相互作用;应强化材料界面缺陷及高温结合强度的微观测量方法与理论分析的研究;需要进一步研究损伤影响下的实际蠕变裂尖应力场,精确描述拘束效应的蠕变裂纹扩展速率模型,以进一步建立拘束下的高温断裂理论;在高温结构的安全评定方面,在目前的失效评定图基础上引入与材料、结构同时关联的损伤维度(时间相关),可望实现较为复杂损伤机制下的失效评定.     

功能梯度材料与结构的若干力学问题研究进展

功能梯度材料的宏观材料特性在空间上是连续变化的,因此即使在线弹性理论范围内,由于控制偏微分方程是变系数的,相应的力学分析具有很大的挑战性.综述了功能梯度材料与结构若干力学问题的最新研究进展,包括功能梯度材料梁、板、壳结构的解析解与半解析解以及简化理论的研究、功能梯度材料结构的数值计算方法研究、功能梯度材料的断裂力学研究.最后对未来功能梯度材料与结构的力学研究进行了展望.     

细胞结构的力学模型及模拟的最新进展

细胞是构成各种生命体组织和器官最重要的基本单元.向上,它构成各种生命体的组织和器官;向下,它本身又由各种不同的大小分子组成.因此,细胞构成了生命体从宏观到微观链条中极为重要的一环.细胞的结构有什么力学意义,力对细胞的影响究竟是作为一种纯粹的力还是某种信号一直是各国科学家探寻和争论的热点.本文简述了当前主要的细胞结构的力学模型,它们的优缺点以及更合理的模型所应满足的条件和有关最新进展,展示了这一领域目前研究的最新成就.      

??????????????????

概述国内外机床制造业的发展趋势，并就机床材料和构件所面临的基础研究问题进行了 阐述. 重点介绍机床中的材料和结构演变发展，概括了轻质材料和结构在机床行 业的研究现状，讨论并展望面向高档精密数控机床应用的轻质材料和结构研究发展趋势.     

含能材料装药的损伤及力学性能研究进展

研究含能材料的损伤和力学性能对于指导含能材料配方和结构件设计,以及对含能材料进行安全性评估和寿命预测等都具有重要的意义.损伤一方面使含能材料的力学性能劣化,另一方面还影响含能材料的感度、燃烧甚至爆炸性能.本文对含能材料损伤和力学性能的研究现状进行了综述和归纳.对含能材料损伤的产生、实验模拟、主要损伤模式,损伤对含能材料的感度和燃烧性能等的影响,炸药单相材料的性质,影响含能材料力学性能的因素以及损伤本构关系等进行了介绍.对其中的一些关键问题和热点问题进行了分析,并对今后需要开展的工作发表了一些看法.