压转型三维负泊松比结构设计及力学性能研究
发布时间：2020-12-15 04:42
负泊松比材料,通常为周期单元结构材料,是一类具有特殊力学变形行为的机械超材料,在轴向拉伸时,横向会发生膨胀,反之在轴向压缩时,横向会发生收缩,这一现象与传统材料的表现截然相反。基于这种独特的变形行为,负泊松比材料具有许多传统材料所不具备的优异力学性能,例如具有更好的抗压强度、断裂韧性和能量吸收能力等,近年来已成为国内外众多科研学者的研究热点。但是目前大部分的研究工作还是围绕二维负泊松比结构展开,仅有的三维负泊松比结构主要由相应二维结构在面外旋转构成,新型结构较少提出。本文以十字手性负泊松比蜂窝为基础,设计出一类压转型三维负泊松比结构,并从中选择一种代表结构进行系统研究,主要工作内容如下:以二维十字手性负泊松比蜂窝为研究对象,推导出等效弹性模量和泊松比的理论公式,然后利用有限元软件对蜂窝进行仿真模拟,分析结构几何参数对等效弹性常数的影响。理论公式结果和仿真结果对比分析表明两者之间误差较小,验证了理论公式的正确性。基于十字手性负泊松比蜂窝的旋转变形机制,通过在垂向结合不同形式的胞元结构设计出一类压转型三维负泊松比结构,选择其中代表结构推导出等效弹性常数的理论公式,并对其进行有限元仿真模拟分...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
正、负泊松比材料变形行为[1]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文21.1.2课题研究的目的和意义由于负泊松比材料与结构受力时表现出特殊的“拉伸-膨胀”和“压缩-收缩”变形行为，这使其具有一些比传统材料更优异的力学性能，例如具有优异的抗压强度[4]、断裂韧性和能量吸收能力[5-8]。对于各向同性材料而言，弹性常数之间存在以下关系：2(1)EG=+(1-1)式中G为剪切模量、E为弹性模量、ν为泊松比。由式(1-1)可知，当泊松比由正变为负时，材料的剪切模量将会大大提高，说明负泊松比材料具有更好的抗剪切能力。特别地当泊松比ν接近-1时，剪切模量将远远大于弹性模量，在此情况下材料将变得极易压缩但很难剪切。此外负泊松比材料还具有更高的压痕阻力，如图1-2所示，正泊松比材料在承受压缩载荷时会远离受力区域，使得受力处局部密度降低，压痕阻力较低；而负泊松比材料则恰恰相反，在受到压缩时材料会向受力处聚集，使得局部致密化，抵抗压痕的能力明显优于常规材料。图1-2正、负泊松比材料受压变形对比负泊松比材料通常为疏松多孔的多胞结构，这就使其具有更低的相对密度，此外也更容易发生较大的压缩变形，具有更好的冲击吸能能力。与常规材料相比，负泊松比多胞结构在压缩变形时具有更高的初始刚度和平台应力，这就使其具有更高的能量吸收效率，基于这些优势，负泊松比材料与结构可以作为理想的吸能缓冲材料。由于负泊松比材料具有众多优异的力学性能，其应用领域也十分广阔。例如可以制备出负泊松比蜂窝结构，利用相对密度低、比强度高的优点将其应用正泊松比材料负泊松比材料
ぷ鳌?1.2国内外研究现状及分析1.2.1负泊松比结构研究现状从上世纪80年代至今，负泊松比材料与结构已有30多年的研究历史，现今负泊松比结构种类众多，所涵盖的尺度范围从微观延伸到宏观，所涉及的产生负泊松比效应的机制也很多，但目前有两种主要变形机制：一种是内凹机制，代表结构有内凹六边形负泊松比结构、星型负泊松比结构和双箭头负泊松比结构；另一种是旋转机制，代表结构为手性系负泊松比结构。本节对上述各结构展开介绍。1.2.1.1内凹六边形负泊松比结构1982年，Gibson[18]首先提出了一种内凹六边形结构，如图1-3(b)所示，与图(a)中传统六边形结构不同，内凹六边形结构是将两个相对的凸角向内凹折形成凹角从而使其具有负泊松比效应。该结构在承受载荷时，会发生弯曲、拉伸和铰接等变形形式，其中斜杆的弯曲变形是引起负泊松比效应的主要原因[19,20]。Ju[21]等研究了材料和胞元结构对内凹六边形负泊松比结构剪切模量的影响。Smardzewski[22]等将内凹六边形结构应用到沙发的弹簧中，采用增材制造技术制备了样件，并通过试验和有限元仿真对其进行优化设计。Scarpa[23]等运用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了具有管状拓扑结构的内凹六边形结构材料的力学性能。图1-3六边形结构受力变形特点[18](a)(b)
本文编号：2917679
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
正、负泊松比材料变形行为[1]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文21.1.2课题研究的目的和意义由于负泊松比材料与结构受力时表现出特殊的“拉伸-膨胀”和“压缩-收缩”变形行为，这使其具有一些比传统材料更优异的力学性能，例如具有优异的抗压强度[4]、断裂韧性和能量吸收能力[5-8]。对于各向同性材料而言，弹性常数之间存在以下关系：2(1)EG=+(1-1)式中G为剪切模量、E为弹性模量、ν为泊松比。由式(1-1)可知，当泊松比由正变为负时，材料的剪切模量将会大大提高，说明负泊松比材料具有更好的抗剪切能力。特别地当泊松比ν接近-1时，剪切模量将远远大于弹性模量，在此情况下材料将变得极易压缩但很难剪切。此外负泊松比材料还具有更高的压痕阻力，如图1-2所示，正泊松比材料在承受压缩载荷时会远离受力区域，使得受力处局部密度降低，压痕阻力较低；而负泊松比材料则恰恰相反，在受到压缩时材料会向受力处聚集，使得局部致密化，抵抗压痕的能力明显优于常规材料。图1-2正、负泊松比材料受压变形对比负泊松比材料通常为疏松多孔的多胞结构，这就使其具有更低的相对密度，此外也更容易发生较大的压缩变形，具有更好的冲击吸能能力。与常规材料相比，负泊松比多胞结构在压缩变形时具有更高的初始刚度和平台应力，这就使其具有更高的能量吸收效率，基于这些优势，负泊松比材料与结构可以作为理想的吸能缓冲材料。由于负泊松比材料具有众多优异的力学性能，其应用领域也十分广阔。例如可以制备出负泊松比蜂窝结构，利用相对密度低、比强度高的优点将其应用正泊松比材料负泊松比材料
ぷ鳌?1.2国内外研究现状及分析1.2.1负泊松比结构研究现状从上世纪80年代至今，负泊松比材料与结构已有30多年的研究历史，现今负泊松比结构种类众多，所涵盖的尺度范围从微观延伸到宏观，所涉及的产生负泊松比效应的机制也很多，但目前有两种主要变形机制：一种是内凹机制，代表结构有内凹六边形负泊松比结构、星型负泊松比结构和双箭头负泊松比结构；另一种是旋转机制，代表结构为手性系负泊松比结构。本节对上述各结构展开介绍。1.2.1.1内凹六边形负泊松比结构1982年，Gibson[18]首先提出了一种内凹六边形结构，如图1-3(b)所示，与图(a)中传统六边形结构不同，内凹六边形结构是将两个相对的凸角向内凹折形成凹角从而使其具有负泊松比效应。该结构在承受载荷时，会发生弯曲、拉伸和铰接等变形形式，其中斜杆的弯曲变形是引起负泊松比效应的主要原因[19,20]。Ju[21]等研究了材料和胞元结构对内凹六边形负泊松比结构剪切模量的影响。Smardzewski[22]等将内凹六边形结构应用到沙发的弹簧中，采用增材制造技术制备了样件，并通过试验和有限元仿真对其进行优化设计。Scarpa[23]等运用理论分析和数值模拟相结合的方法研究了具有管状拓扑结构的内凹六边形结构材料的力学性能。图1-3六边形结构受力变形特点[18](a)(b)
本文编号：2917679
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