壓轉型三維負泊松比結構設計及力學性能研究
發(fā)布時間：2020-12-15 04:42
負泊松比材料,通常為周期單元結構材料,是一類具有特殊力學變形行為的機械超材料,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。基于這種獨特的變形行為,負泊松比材料具有許多傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異力學性能,例如具有更好的抗壓強度、斷裂韌性和能量吸收能力等,近年來已成為國內(nèi)外眾多科研學者的研究熱點。但是目前大部分的研究工作還是圍繞二維負泊松比結構展開,僅有的三維負泊松比結構主要由相應二維結構在面外旋轉構成,新型結構較少提出。本文以十字手性負泊松比蜂窩為基礎,設計出一類壓轉型三維負泊松比結構,并從中選擇一種代表結構進行系統(tǒng)研究,主要工作內(nèi)容如下:以二維十字手性負泊松比蜂窩為研究對象,推導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行仿真模擬,分析結構幾何參數(shù)對等效彈性常數(shù)的影響。理論公式結果和仿真結果對比分析表明兩者之間誤差較小,驗證了理論公式的正確性。基于十字手性負泊松比蜂窩的旋轉變形機制,通過在垂向結合不同形式的胞元結構設計出一類壓轉型三維負泊松比結構,選擇其中代表結構推導出等效彈性常數(shù)的理論公式,并對其進行有限元仿真模擬分...
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：76 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
正、負泊松比材料變形行為[1]
哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文21.1.2課題研究的目的和意義由于負泊松比材料與結構受力時表現(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)異的力學性能，例如具有優(yōu)異的抗壓強度[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，當泊松比由正變?yōu)樨摃r，材料的剪切模量將會大大提高，說明負泊松比材料具有更好的抗剪切能力。特別地當泊松比ν接近-1時，剪切模量將遠遠大于彈性模量，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、負泊松比材料受壓變形對比負泊松比材料通常為疏松多孔的多胞結構，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，負泊松比多胞結構在壓縮變形時具有更高的初始剛度和平臺應力，這就使其具有更高的能量吸收效率，基于這些優(yōu)勢，負泊松比材料與結構可以作為理想的吸能緩沖材料。由于負泊松比材料具有眾多優(yōu)異的力學性能，其應用領域也十分廣闊。例如可以制備出負泊松比蜂窩結構，利用相對密度低、比強度高的優(yōu)點將其應用正泊松比材料負泊松比材料
ぷ鰲?1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析1.2.1負泊松比結構研究現(xiàn)狀從上世紀80年代至今，負泊松比材料與結構已有30多年的研究歷史，現(xiàn)今負泊松比結構種類眾多，所涵蓋的尺度范圍從微觀延伸到宏觀，所涉及的產(chǎn)生負泊松比效應的機制也很多，但目前有兩種主要變形機制：一種是內(nèi)凹機制，代表結構有內(nèi)凹六邊形負泊松比結構、星型負泊松比結構和雙箭頭負泊松比結構；另一種是旋轉機制，代表結構為手性系負泊松比結構。本節(jié)對上述各結構展開介紹。1.2.1.1內(nèi)凹六邊形負泊松比結構1982年，Gibson[18]首先提出了一種內(nèi)凹六邊形結構，如圖1-3(b)所示，與圖(a)中傳統(tǒng)六邊形結構不同，內(nèi)凹六邊形結構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泊松比效應。該結構在承受載荷時，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泊松比效應的主要原因[19,20]。Ju[21]等研究了材料和胞元結構對內(nèi)凹六邊形負泊松比結構剪切模量的影響。Smardzewski[22]等將內(nèi)凹六邊形結構應用到沙發(fā)的彈簧中，采用增材制造技術制備了樣件，并通過試驗和有限元仿真對其進行優(yōu)化設計。Scarpa[23]等運用理論分析和數(shù)值模擬相結合的方法研究了具有管狀拓撲結構的內(nèi)凹六邊形結構材料的力學性能。圖1-3六邊形結構受力變形特點[18](a)(b)
本文編號：2917679
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：76 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
正、負泊松比材料變形行為[1]
哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文21.1.2課題研究的目的和意義由于負泊松比材料與結構受力時表現(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)異的力學性能，例如具有優(yōu)異的抗壓強度[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，當泊松比由正變?yōu)樨摃r，材料的剪切模量將會大大提高，說明負泊松比材料具有更好的抗剪切能力。特別地當泊松比ν接近-1時，剪切模量將遠遠大于彈性模量，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、負泊松比材料受壓變形對比負泊松比材料通常為疏松多孔的多胞結構，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，負泊松比多胞結構在壓縮變形時具有更高的初始剛度和平臺應力，這就使其具有更高的能量吸收效率，基于這些優(yōu)勢，負泊松比材料與結構可以作為理想的吸能緩沖材料。由于負泊松比材料具有眾多優(yōu)異的力學性能，其應用領域也十分廣闊。例如可以制備出負泊松比蜂窩結構，利用相對密度低、比強度高的優(yōu)點將其應用正泊松比材料負泊松比材料
ぷ鰲?1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析1.2.1負泊松比結構研究現(xiàn)狀從上世紀80年代至今，負泊松比材料與結構已有30多年的研究歷史，現(xiàn)今負泊松比結構種類眾多，所涵蓋的尺度范圍從微觀延伸到宏觀，所涉及的產(chǎn)生負泊松比效應的機制也很多，但目前有兩種主要變形機制：一種是內(nèi)凹機制，代表結構有內(nèi)凹六邊形負泊松比結構、星型負泊松比結構和雙箭頭負泊松比結構；另一種是旋轉機制，代表結構為手性系負泊松比結構。本節(jié)對上述各結構展開介紹。1.2.1.1內(nèi)凹六邊形負泊松比結構1982年，Gibson[18]首先提出了一種內(nèi)凹六邊形結構，如圖1-3(b)所示，與圖(a)中傳統(tǒng)六邊形結構不同，內(nèi)凹六邊形結構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泊松比效應。該結構在承受載荷時，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泊松比效應的主要原因[19,20]。Ju[21]等研究了材料和胞元結構對內(nèi)凹六邊形負泊松比結構剪切模量的影響。Smardzewski[22]等將內(nèi)凹六邊形結構應用到沙發(fā)的彈簧中，采用增材制造技術制備了樣件，并通過試驗和有限元仿真對其進行優(yōu)化設計。Scarpa[23]等運用理論分析和數(shù)值模擬相結合的方法研究了具有管狀拓撲結構的內(nèi)凹六邊形結構材料的力學性能。圖1-3六邊形結構受力變形特點[18](a)(b)
本文編號：2917679
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