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一種新型拉脹結構的可調面內力學效能研究

釋出時間₪✘:2022-07-14      點選次數₪✘:156

 

 

拉脹超材料是20世紀90年代起迅速發展起來的一類功能和結構一體化的多孔材料▩••◕▩。與常規材料不同↟↟,拉脹超材料承受單軸拉伸(壓縮)載荷時↟↟,在與載荷垂直的方向發生膨脹(收縮)而表現出負泊松比效應▩••◕▩。由於這種特殊的變形↟↟,拉脹超材料相較於傳統多孔材料具有更優越的效能↟↟,如超常彈性常數▩╃、抗壓痕性▩╃、抗衝擊性▩╃、抗斷裂韌性▩╃、滲透可變性以及能量吸收效能等▩••◕▩。此外↟↟,拉脹超材料還表現出曲面同向性的*物理效能▩••◕▩。手性拉脹結構是一種典型的二維拉脹蜂窩結構↟↟,其元胞結構由中心圓環和與之相切的肋杆組成↟↟,根據切點數目的不同↟↟,手性拉脹材料可分為三節點▩╃、四節點和六節點結構▩••◕▩。手性拉脹結構在變形時其形狀可以平穩改變↟↟,且具有優異的面外力學效能↟↟,在製備柔性器件和吸能裝置領域具有很大的潛力▩••◕▩。但是在較大形變下↟↟,這些常規的手性結構極難實現其他泊松比值↟↟,通常其拉脹效能也會迅速衰減▩••◕▩。


有研究發現↟↟,將手性拉脹結構中心圓環替換成桁架(即missing rib type auxetics)結構可在大形變下保持更加穩定的負泊松比效應↟↟,且有望用於更多的工程應用中▩••◕▩。但目前多數的研究都是聚焦在靜態力學效能的變化及機理探索↟↟,而實際應用中↟↟,拉脹材料既要承受靜態載荷也要承受動態載荷↟↟,在這些條件下↟↟,手性材料的斷裂韌性▩╃、抗疲勞性▩╃、吸收能量等效能研究鮮有報道▩••◕▩。

 

圖1.(a)標準型ATMr拉脹結構;(b)增強型ATMr拉脹結構

 

近日西南石油大學朱一林和江松輝▩╃、廣西大學盧福聰以及南京工業大學任鑫提出了一種新型的拉脹結構並對其在靜態載荷以及動態載荷下可調節的負泊松比及剛度進行了研究並分析▩••◕▩。這種增強型ATMr(anti-tera-missing rib)拉脹結構↟↟,由4個最小重複單元構成↟↟,重複單元則是由2個曲折紐帶包圍著作為加固元素的中心1個正方形組成↟↟,如圖1(b)▩••◕▩。為了確定可調的力學效能併為實際應用提供指導↟↟,研究團隊基於卡氏定理建立了小變形機制下的力學模型▩••◕▩。模擬結果表明↟↟,透過調整結構的幾何形狀↟↟,可以得到在−1到0範圍內的泊松比值▩••◕▩。透過分析泊松比和相對密度隨幾何引數的變化規律↟↟,發現這種增強型ATMr結構比非拉脹結構具有更高的剛度和更低的相對密度▩••◕▩。有限元分析結果與理論推導結果吻合度很高▩••◕▩。另外↟↟, 針對大應變範圍下負泊松比的變化進行了研究並揭示了該結構的拉脹變形機制▩••◕▩。結果發現↟↟,其拉脹效能主要來自於中心的旋轉和外圍紐帶的彎曲↟↟,其可調的負泊松比可透過結構引數的調整獲得↟↟,且不同的結構引數產生不同的旋轉有效性▩••◕▩。


圖2 不同結構引數(q=1.5/2.5/3.5)下有效泊松比與應變的關係

 


圖3 數值計算分析和實驗分析的等效泊松比範圍. 左:標準型ATMr拉脹結構;右: 增強型ATMr拉脹結構

 

此外↟↟,研究團隊透過實驗和數值模擬驗證了所提出的結構應用於非線性基材實現可控拉脹的可行性₪✘:利用微尺度3D印表機(nanoArch®P150↟↟,摩方精密)製備了具有增強型ATMr結構單元的啞鈴狀樣條↟↟,樣條最薄處截面尺寸為0.15mm×1.0mm▩••◕▩。經過實驗分析↟↟,非線性彈性材料具有與線性彈性材料相近的拉脹效能↟↟,如圖4所示▩••◕▩。

 

 

圖4. 線性(實線)和非線性(虛線)彈性材料的有效泊松比

 

值得注意的是↟↟,此研究工作中對新型結構進行了動態和靜態負載實驗分析↟↟,這些都將在實際工程應用中具有理論指導意義▩••◕▩。研究成果以題為“A novel enhanced anti-tetra-missing rib auxetic structure with tailorable in-plane mechanical properties”發表在《Engineering Structures》期刊上▩••◕▩。

 

 

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