复合拉胀结构的力学性能及增强拉胀机理研究

来源/作者:中国3D打印网| 发布:智能装备网|发布时间:2021-12-11|阅读:648
      与传统材料不同,拉胀结构(也叫超材料)具有负泊松比的独特性质,当给结构施加一个垂直压缩(拉伸)载荷时,其在横向是收缩(膨胀)的。这种结构由于其具有很多良好的性能,如可以增强结构的抗屈曲性、剪切模量、断裂韧性和能量吸收能力而在许多领域中都有着广泛的应用。将拉胀结构与其他材料或结构(嵌入结构)相结合以提高力学性能是一个重要的研究课题。为了将两者完整的结合在一起,常在嵌入结构与拉胀结构之间施加足够的约束。又因为调整机械性能通常需要改变结构的形状。然而,由于存在太多的约束,嵌入结构或拉胀结构的形状不能独立的改变,当一种结构改变以调整机械性能的时候,另一个结构也经常要做出适应性改变,这增加了设计的复杂性和不确定性。
       山东科技大学的王清团队以增强版的蜂窝结构(拉胀结构的一种)作为拉胀结构,以菱形结构作为嵌入结构,减少了两者之间的约束数量,提出柔性变形复合拉胀结构(CASwFD),如图1所示,可以实现拉胀结构与嵌入结构的独立变形。

图1. A)菱形网格嵌入增强版的蜂窝结构.B)具有柔性变形的复合拉胀结构.C)嵌入结构(红色)可以改变而拉胀结构(蓝色)保持不变(CASwFD-1).D)拉胀结构可以改变(水平杆的长度改变,倾斜杆的长度保持不变)而嵌入结构保持不变(CASwFD-2).E) 拉胀结构可以改变(水平杆的长度保持不变,倾斜杆的长度改变)而嵌入结构保持不变(CASwFD-3)
      作者还通过理论和数值分析,研究了嵌入结构和拉胀结构的变化对整体结构泊松比、相对杨氏模量和能量吸收的影响。研究发现,嵌入结构主要影响整体结构的泊松比和相对杨氏模量,拉胀结构影响整体结构的能量吸收。通过合理设计两个分结构,可以使整体结构的材料利用率达到最佳。通过改变拉胀结构,可以在大范围内调节整体结构的机械性能。该结构有望为复合拉胀结构的设计提供一种新的途径。

参考文献:
Qing Wang et al, Study of mechanical properties and enhancing auxetic mechanism of composite auxetic structures[J]. Engineering Report(2021). DOI: 10.1002/eng2.12436 (采编:www.znzbw.cn)
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