学术前沿 | 用于能量吸收和冲击保护的紧凑型准零刚度超材料

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-08-29 21:18

正文

本研究提出了一种用于冲击保护的紧凑机械超材料。在压缩过程中，超材料的晶胞表现出准零刚度（QZS）和准零泊松比（QZPR）特性，以及大的致密化应变，使其适合抵御低速冲击。首先，建立了超材料的参数几何模型，以正弦薄壁结构作为主要承载单元。采用网格结构将薄壁结构连接成一个统一的系统。其次，为了缩短设计周期，开发了缓冲结构力学性能的数值方法。薄壁结构的运动方程以弧长坐标表示，并采用龙格-库塔法和射击法求解。分析了网格结构变形和材料塑性增强对结构力学响应的影响，并计算了缓冲结构的能量吸收（EA）。仿真和实验结果都证明了所提出的计算方法的高精度。最后，进行落锤实验来评估所设计的缓冲结构的冲击缓解性能。结果表明，该结构表现出优异的冲击缓解能力，凸显了其实际应用的潜力。

在本研究中，提出了一种紧凑的机械超材料的冲击保护。该超材料具有准零刚度（QZS）特性，从而降低了初始峰值载荷（IPL）。它还具有准零泊松比（QZPR）特性，确保了显著的致密化应变。受直梁后屈曲响应的启发，提出了该结构。超材料由薄壁结构和网状结构组成。正弦形薄壁结构作为主要的承重构件，而网格结构则用于连接薄壁结构。利用蚱蜢建立了缓冲结构的参数几何模型。

通过数值计算计算了缓冲器结构的力学特性。首先分析了一种末端固定的薄壁结构。利用龙格-库塔法和射击法，建立并求解了具有初始偏转的梁的运动方程。与模拟分析结果相比，数值方法对长厚比大于10的分析对象的误差在20%以内。相同长度但振幅不同的薄壁结构的力学响应有高度的重叠，说明利用正弦曲线模拟直梁的后屈曲阶段是可行的。与在梁中点形成塑料铰链相对应的压缩载荷被认为是IPL。网格结构在压缩过程中的变形导致结构承载能力下降，降低了IPL。在临界状态下，IPL和端部位移随弯矩呈线性变化。为了准确预测缓冲结构的承载能力，提出了两个线性补偿参数。