六韧带手性蜂窝结构的动力学响应特性研究

发布时间：2020-01-19 12:30

【摘要】：利用显式动力有限元ANSYS/LS-DYNA数值研究了六韧带手性蜂窝结构的面内冲击动力学特性。在保证圆环节点半径不变的前提下,通过改变韧带长度和胞元厚度,首先建立了六韧带手性蜂窝的有限元模型,具体讨论了冲击速度和胞元微结构参数对手性蜂窝材料的面内宏/微观变形行为、密实应变、动态平台应力和比能量吸收能力的影响。研究结果表明,随着冲击速度的增加,六韧带手性蜂窝结构表现为3种宏观变形模态:""型模式、"过渡"模式和"I"型模式。在中、低速冲击载荷下,能够明显观察到拉胀材料在轴向压缩时独特的"颈缩"现象,其主要与韧带绕着圆环中心节点的旋转变形有关。通过引入无量纲"动态敏感因子",还研究了六韧带手性蜂窝材料的面内动态冲击强化效应。
【图文】：

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图1蜂窝材料产生负泊松比行为的两种变形机制Fig．1Twodeformationmechanismsgeneratinganauxeticbehaviorofthehoneycomb但要在工程上应用该类新型多胞结构，首先要对其宏/微观力学性能进行充分的研究和认识。关于手性蜂窝结构力学性能的大量研究已经展开。例如，Prall等［5］对六韧带手性蜂窝材料的面内力学性能进行了理论分析和实验研究;Alderson等［6］讨论了几种常见手性蜂窝结构(比如，三韧带、四韧带和六韧带)的弹性模量和泊松比，并进一步阐述了该类结构的变形机制;Lorato等［7］系统分析了不同微结构手性蜂窝的面外线弹性力学性能;Scarpa等［8］研究了六韧带手性蜂窝结构受到均匀平压时的整体和局部线性屈曲特性;Liu等［9］基于连续介质理论对二维手性蜂窝结构的手性效应进行了研究;Haghpanah等［10］讨论了宏观应力状态下三韧带手性蜂窝结构的面内屈曲行为;肖锋等［11］研究了主要设计参数对手性蜂窝橡胶覆盖层水下爆炸抗冲击性能的影响。以上研究发现，胞元微结构对手性蜂窝材料的宏/微观力学性能具有重要影响［6－7］，但目前研究主要集中于模型构建、准静态力学性能预测和应力波传播特性等方面的讨论［5－11］，并没有针对其冲击变形特性和动态冲击强化等其他动力学性能进行展开。需要指出的是，当手性蜂窝结构用作防护冲击材料或能量吸收填充构件时，不可避免的要遭受外来物的冲击，受到冲击载荷下该新型结构的宏/微观动态行为尚缺乏足够的认识。因此，，对于手性蜂窝材料动力学响应特性和能量吸收机理的研究显得异常重要。本文以六韧带手性蜂窝为研究对象，对不同冲击速度下手性蜂窝材料的宏/微观变形行为、动态承载能力、密实应变、能量吸收特性和动态冲击强化等动力学响应特性进?

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芡饫次锏某寤鳎噱?到冲击载荷下该新型结构的宏/微观动态行为尚缺乏足够的认识。因此，对于手性蜂窝材料动力学响应特性和能量吸收机理的研究显得异常重要。本文以六韧带手性蜂窝为研究对象，对不同冲击速度下手性蜂窝材料的宏/微观变形行为、动态承载能力、密实应变、能量吸收特性和动态冲击强化等动力学响应特性进行了研究，深入剖析胞孔微观结构对手性蜂窝材料宏观动态力学性能影响的内在机理，本研究可进一步为拉胀多胞材料的多目标动力学优化设计提供理论指导。1模型构建与研究方法1．1手性蜂窝结构的几何特征图2为六韧带手性蜂窝结构典型胞元示意图，图中圆环单元称为节点，连接相邻圆环并与其相切的单元称为韧带。根据圆环节点所连接的韧带数目及对称性，可将试件分为六韧带、四韧带同向、四韧带反向、三韧带同向和三韧带反向等手性蜂窝结构［6］。典型胞元的具体几何参数如图2(a)所示，l、Ｒ、r、t、θ和φ分别为韧带长度、相邻两圆环节点间的距离、圆环节点半径、胞元壁厚、相邻节点中心连线间的夹角以及中心连线与韧带之间的夹角。对于六韧带手性蜂窝结构，θ=30°，Ｒ2=l2+4r2，tanφ=2r/l。该结构胞元具有面内旋转对称的特点，当胞元在面内围绕其中心圆环节点旋转2θ时，可与原结构重合。本文所有的算例中，均保持圆环节点半径r=5mm不变。图2六韧带手性蜂窝结构典型胞元示意图Fig．2Diagrammaticsketchoftypicalcellforhexachiralhoneycomb1．2有限元模型面内冲击载荷下六韧带手性蜂窝结构的计算模型如图3所示。利用显式动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行面内冲击动力学特性模拟。基体材料为金属铝(Al)，采用弹－塑性随动强化模型。主要材料参数为:杨氏模量Es=69GPa，屈服应力σys=76MPa?

【参考文献】