超材料轻质多孔结构冲击特性数值模拟
发布时间：2021-02-12 07:36
多孔结构夹层板与同体积的实心板相比,具有质量轻、强度高、刚度大等特点。众所周知夹层板是由面板和芯层构成的,而无论是抗冲击性能还是能量吸收能力都是芯层起到主要作用,故芯层的选择则对夹层板的力学性能起到决定性的作用。“超材料”（Metamaterial）是21世纪以来出现的一类新材料,最早是应用在声学领域,其具备天然材料所不具备的特殊性质,而且这些性质主要来自人工设计的特殊结构胞元,通过一些特殊的排列（周期性或随机性）方式进行组合而成。当这种结构随着3D打印等新技术的应用,使得常规手段难以实现的复杂结构能够被制造出来。而这种特殊结构在作为夹层板芯层的抗冲击学性能还有待进一步研究。本文采用显示动力学软件LS/DYNA对三种多孔材料构成的夹层板进行动态冲击数值模拟。在数值实验之前,对现有的试验结果进行了数值模拟方法的重复性实验,两种结果表现出了良好的一致性,证明了有限元模型的有效性。首先,针对正弦曲线蜂窝夹层板进行了分别进行了局部与整体的动态冲击测试,其中,针对在整体抗冲击情况下,设计两种等质量蜂窝夹层板的对比模型,一种正泊松比栅格夹层结构和一种内凹六角形负泊松比夹层结构,进行同样的抗整体冲击...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
蜂窝结构
娴男阅芙?蟹治觯?拍芄唤?渑渲?在最合适而位置，并明确改进的方向。1.2负泊松比材料的研究及应用通常蜂窝材料在宏观上都呈现正泊松比，随着人们设计理念的进步，使得一些及材料具有了负泊松比的特性，目前具有负泊松比效应的蜂窝材料也相继出现并应用到了实际当中去。在我们通常的认知当中，普通的材料在受到横向的轴向拉伸作用时，材料本身的竖向截面会发生颈缩现象，如低碳钢的拉伸实验，这边是体现出了正泊松比的特性，但是当负泊松比[9](auxetic)材料在受到横向的轴向拉伸作用时，它的竖向截面反而会发生膨胀，如图1-2所示。这种异于常规材料的“拉胀”行为，使其成为了一种发展潜力十分可观的新材料。负泊松比材料由于这种独特的拉胀、压缩行为，在抵抗变形和能量吸收等方面显示出更突出的力学和物理特性。负泊松比材料的出现为发展具有特殊力学属性材料与结构提供了一个全新的方向和途径[10-13]。（a）负泊松比材料（b）正泊松比材料图1-2正负泊松比结构变形特征泊松比的概念是由法国科学家泊松(SimonDenisPoisson，1781-1840)在1829年最先发现和提出的，并将其定义为：单轴拉伸或压缩时，横向应变和纵向应变的比值，即=。在实际生活中大多数工程材料在承受拉伸荷载时横截面会收缩，由公式可知此时的泊松比为正值，一般在0到0.5之间[9]。而有些材料在受到轴向的拉伸作
燕山大学工学硕士学位论文-4-用时，截面部分会产生膨胀现象，由前文的泊松比计算公式可知，此时结构的泊松比为负值，这就是文中讨论的负泊松比结构。当结构受动态的冲击荷载作用时，不同的结构会由于其独特的结构形式体现出不同的变形模式：具有正泊松比特性的材料在发生如下的冲击时，由于正泊松比结构的特点，在受冲击荷载作用的部位下方会产生垂直于轴向方向两侧的膨胀现象，因此会导致局部密度减少，如图1-3(a)所示；而负泊松比材料在发生这种局部冲击时，受冲击作用部位下方则产生收缩现象，材料受冲击部位下方发生集聚现象，从而使结构的局部密度增大，抵抗冲击性能增强，如图1-3(b)所示[14]。在相同体积且消耗相同材料的情况下，负泊松比多孔材料有着更好的抗冲击性能和抵抗变形的能力。由此可知，应用具有负泊松比性质的材料，具有更好的抗冲击效果。（a）正泊松比材料(b)负泊松比材料图1-3正、负泊松比材料的抗压特性另外，负泊松比材料负泊松比的特性会对消除应力集中会产生积极的影响，并且能够抵消一部分外部荷载，从而提高这些部件的抗负荷能力。进一步可以发现，如果将负泊松比材料用于医学领域，可以很大程度上缓解由于动脉硬化、血栓等疾病对人体造成的危险[8]。采用负泊松比材料作为芯层制造出的夹芯板在受到冲击荷载时时，由于负泊松比的特性，芯层部分受冲击而向内收缩，局部结构密度增大，从而导致结构抗冲击性能增强，而不是像具有正泊松比性质的材料那样向内凹陷被破坏，因此，由负泊松比材料制成的夹芯板其防护性大大提高[14-16]。总而言之，具有负泊松比特性的材料及其制品，由于其在工程实际当中的优异表现，其应用的领域不仅仅局限在一些航空航天、国防等高精尖领域，同时在人们的日常生活中扮演着重要的角
本文编号：3030494
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
蜂窝结构
娴男阅芙?蟹治觯?拍芄唤?渑渲?在最合适而位置，并明确改进的方向。1.2负泊松比材料的研究及应用通常蜂窝材料在宏观上都呈现正泊松比，随着人们设计理念的进步，使得一些及材料具有了负泊松比的特性，目前具有负泊松比效应的蜂窝材料也相继出现并应用到了实际当中去。在我们通常的认知当中，普通的材料在受到横向的轴向拉伸作用时，材料本身的竖向截面会发生颈缩现象，如低碳钢的拉伸实验，这边是体现出了正泊松比的特性，但是当负泊松比[9](auxetic)材料在受到横向的轴向拉伸作用时，它的竖向截面反而会发生膨胀，如图1-2所示。这种异于常规材料的“拉胀”行为，使其成为了一种发展潜力十分可观的新材料。负泊松比材料由于这种独特的拉胀、压缩行为，在抵抗变形和能量吸收等方面显示出更突出的力学和物理特性。负泊松比材料的出现为发展具有特殊力学属性材料与结构提供了一个全新的方向和途径[10-13]。（a）负泊松比材料（b）正泊松比材料图1-2正负泊松比结构变形特征泊松比的概念是由法国科学家泊松(SimonDenisPoisson，1781-1840)在1829年最先发现和提出的，并将其定义为：单轴拉伸或压缩时，横向应变和纵向应变的比值，即=。在实际生活中大多数工程材料在承受拉伸荷载时横截面会收缩，由公式可知此时的泊松比为正值，一般在0到0.5之间[9]。而有些材料在受到轴向的拉伸作
燕山大学工学硕士学位论文-4-用时，截面部分会产生膨胀现象，由前文的泊松比计算公式可知，此时结构的泊松比为负值，这就是文中讨论的负泊松比结构。当结构受动态的冲击荷载作用时，不同的结构会由于其独特的结构形式体现出不同的变形模式：具有正泊松比特性的材料在发生如下的冲击时，由于正泊松比结构的特点，在受冲击荷载作用的部位下方会产生垂直于轴向方向两侧的膨胀现象，因此会导致局部密度减少，如图1-3(a)所示；而负泊松比材料在发生这种局部冲击时，受冲击作用部位下方则产生收缩现象，材料受冲击部位下方发生集聚现象，从而使结构的局部密度增大，抵抗冲击性能增强，如图1-3(b)所示[14]。在相同体积且消耗相同材料的情况下，负泊松比多孔材料有着更好的抗冲击性能和抵抗变形的能力。由此可知，应用具有负泊松比性质的材料，具有更好的抗冲击效果。（a）正泊松比材料(b)负泊松比材料图1-3正、负泊松比材料的抗压特性另外，负泊松比材料负泊松比的特性会对消除应力集中会产生积极的影响，并且能够抵消一部分外部荷载，从而提高这些部件的抗负荷能力。进一步可以发现，如果将负泊松比材料用于医学领域，可以很大程度上缓解由于动脉硬化、血栓等疾病对人体造成的危险[8]。采用负泊松比材料作为芯层制造出的夹芯板在受到冲击荷载时时，由于负泊松比的特性，芯层部分受冲击而向内收缩，局部结构密度增大，从而导致结构抗冲击性能增强，而不是像具有正泊松比性质的材料那样向内凹陷被破坏，因此，由负泊松比材料制成的夹芯板其防护性大大提高[14-16]。总而言之，具有负泊松比特性的材料及其制品，由于其在工程实际当中的优异表现，其应用的领域不仅仅局限在一些航空航天、国防等高精尖领域，同时在人们的日常生活中扮演着重要的角
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