学术前沿 | 六方V手性和三手性超材料的面内机械性能

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-07-05 21:14

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合理设计具有自然界中不存在的先进机械和物理性能的人造多功能超材料既具有挑战性又很重要。本文通过在典型的六边形蜂窝基材中添加V手性和三手性元素，设计了新型手性结构，从而实现面内力学性能的调控。有限元模拟表明，当应变大于0.4时，六方V手性结构的泊松比为负值，而六方三手性结构的泊松比始终为负值。准静态压缩测试表明，手性特性的引入导致了更强的承载能力，并且六方三手性结构具有更强的能量吸收（EA）和比能量吸收（SEA）能力。通过有限元法进行参数研究，通过调整所提出结构的几何参数，可以提高能量吸收和抗压刚度方面的性能。随后，利用Bloch-Floquet定理研究手性超材料的色散关系，结果表明，与传统的六角形蜂窝相比，手性超材料能够在较低频率范围内产生带隙。数值模拟结果表明，所提出的新型手性超材料的带宽可以通过合理选择六边形边长、壁厚和半径来调节。对结构Ⅲ的振动传递率进行了实验研究，结果证明该结构能够在目标频段范围内抑制振动。最后，通过在结构Ⅲ中填充钢柱，该结构在较低频率范围内产生带隙，从而拓宽了这种手性超材料的应用。

在本文中，提出了两种新型的手性金属材料：六边形V型手性金属材料和三型手性金属材料。为了创建六边形V型手性金属材料（结构Ⅱ），在六边形蜂窝单元细胞（结构Ⅰ）中添加了V型手性单元，并且在结构Ⅱ中添加了三型手性单元，从而形成了两种六边形三型手性结构（结构Ⅲ和Ⅳ）。通过数值和实验方法系统地研究了所提结构的平面准静态机械行为和振动抑制性能。结果发现，当应变大于0.4时，六边形V型结构的泊松比为负值，而六边形三型结构的泊松比始终为负值。在0.5应变时，六边形三型结构的能量吸收（EA）能力和单位能量吸收（SEA）能力更强。对于振动抑制特性，模拟结果表明，手性金属材料（结构Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）可以在较低频率范围内产生带隙。此外，通过参数分析研究了六边形边长、壁厚和半径对机械性能的影响，为合理设计提供了指导。最后，设计了实验装置来验证结构Ⅲ的减振效果，通过填充钢柱进一步增强了其在低频范围内的减振能力。有限元模拟和试验结果表明，所提出的结构在低频范围内具有良好的减振效果。

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