負(fù)泊松比材料,通常為周期單元結(jié)構(gòu)材料,是一類具有特殊力學(xué)變形行為的機(jī)械超材料,在軸向拉伸時,橫向會發(fā)生膨脹,反之在軸向壓縮時,橫向會發(fā)生收縮,這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)材料的表現(xiàn)截然相反。基于這種獨(dú)特的變形行為,負(fù)泊松比材料具有許多傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異力學(xué)性能,例如具有更好的抗壓強(qiáng)度、斷裂韌性和能量吸收能力等,近年來已成為國內(nèi)外眾多科研學(xué)者的研究熱點(diǎn)。但是目前大部分的研究工作還是圍繞二維負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)展開,僅有的三維負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)主要由相應(yīng)二維結(jié)構(gòu)在面外旋轉(zhuǎn)構(gòu)成,新型結(jié)構(gòu)較少提出。本文以十字手性負(fù)泊松比蜂窩為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)出一類壓轉(zhuǎn)型三維負(fù)泊松比結(jié)構(gòu),并從中選擇一種代表結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究,主要工作內(nèi)容如下:以二維十字手性負(fù)泊松比蜂窩為研究對象,推導(dǎo)出等效彈性模量和泊松比的理論公式,然后利用有限元軟件對蜂窩進(jìn)行仿真模擬,分析結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對等效彈性常數(shù)的影響。理論公式結(jié)果和仿真結(jié)果對比分析表明兩者之間誤差較小,驗(yàn)證了理論公式的正確性�；谑质中载�(fù)泊松比蜂窩的旋轉(zhuǎn)變形機(jī)制,通過在垂向結(jié)合不同形式的胞元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一類壓轉(zhuǎn)型三維負(fù)泊松比結(jié)構(gòu),選擇其中代表結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出等效彈性常數(shù)的理論公式,并對其進(jìn)行有限元仿真模擬分... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：76 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

正、負(fù)泊松比材料變形行為[1]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文21.1.2課題研究的目的和意義由于負(fù)泊松比材料與結(jié)構(gòu)受力時表現(xiàn)出特殊的“拉伸-膨脹”和“壓縮-收縮”變形行為，這使其具有一些比傳統(tǒng)材料更優(yōu)異的力學(xué)性能，例如具有優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度[4]、斷裂韌性和能量吸收能力[5-8]。對于各向同性材料而言，彈性常數(shù)之間存在以下關(guān)系：2(1)EG=+(1-1)式中G為剪切模量、E為彈性模量、ν為泊松比。由式(1-1)可知，當(dāng)泊松比由正變?yōu)樨?fù)時，材料的剪切模量將會大大提高，說明負(fù)泊松比材料具有更好的抗剪切能力。特別地當(dāng)泊松比ν接近-1時，剪切模量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈性模量，在此情況下材料將變得極易壓縮但很難剪切。此外負(fù)泊松比材料還具有更高的壓痕阻力，如圖1-2所示，正泊松比材料在承受壓縮載荷時會遠(yuǎn)離受力區(qū)域，使得受力處局部密度降低，壓痕阻力較低；而負(fù)泊松比材料則恰恰相反，在受到壓縮時材料會向受力處聚集，使得局部致密化，抵抗壓痕的能力明顯優(yōu)于常規(guī)材料。圖1-2正、負(fù)泊松比材料受壓變形對比負(fù)泊松比材料通常為疏松多孔的多胞結(jié)構(gòu)，這就使其具有更低的相對密度，此外也更容易發(fā)生較大的壓縮變形，具有更好的沖擊吸能能力。與常規(guī)材料相比，負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)在壓縮變形時具有更高的初始剛度和平臺應(yīng)力，這就使其具有更高的能量吸收效率，基于這些優(yōu)勢，負(fù)泊松比材料與結(jié)構(gòu)可以作為理想的吸能緩沖材料。由于負(fù)泊松比材料具有眾多優(yōu)異的力學(xué)性能，其應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣闊。例如可以制備出負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)，利用相對密度低、比強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)將其應(yīng)用正泊松比材料負(fù)泊松比材料

ぷ鰲?1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析1.2.1負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀從上世紀(jì)80年代至今，負(fù)泊松比材料與結(jié)構(gòu)已有30多年的研究歷史，現(xiàn)今負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)種類眾多，所涵蓋的尺度范圍從微觀延伸到宏觀，所涉及的產(chǎn)生負(fù)泊松比效應(yīng)的機(jī)制也很多，但目前有兩種主要變形機(jī)制：一種是內(nèi)凹機(jī)制，代表結(jié)構(gòu)有內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)、星型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)和雙箭頭負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)；另一種是旋轉(zhuǎn)機(jī)制，代表結(jié)構(gòu)為手性系負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)。本節(jié)對上述各結(jié)構(gòu)展開介紹。1.2.1.1內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)1982年，Gibson[18]首先提出了一種內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)，如圖1-3(b)所示，與圖(a)中傳統(tǒng)六邊形結(jié)構(gòu)不同，內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)是將兩個相對的凸角向內(nèi)凹折形成凹角從而使其具有負(fù)泊松比效應(yīng)。該結(jié)構(gòu)在承受載荷時，會發(fā)生彎曲、拉伸和鉸接等變形形式，其中斜桿的彎曲變形是引起負(fù)泊松比效應(yīng)的主要原因[19,20]。Ju[21]等研究了材料和胞元結(jié)構(gòu)對內(nèi)凹六邊形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)剪切模量的影響。Smardzewski[22]等將內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)應(yīng)用到沙發(fā)的彈簧中，采用增材制造技術(shù)制備了樣件，并通過試驗(yàn)和有限元仿真對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Scarpa[23]等運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了具有管狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能。圖1-3六邊形結(jié)構(gòu)受力變形特點(diǎn)[18](a)(b)


本文編號：2917679