学术前沿 | 基于框架增强弯曲梁的改进可编程能量捕获能力的多稳定超材料单元设计

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-06-27 21:32

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弯曲梁是一类具有双稳定特性的单元，可以用来构造多稳定的超材料。这些材料利用弯曲梁的弹性穿透在多个稳定状态之间转换，有效地实现了能量吸收和捕获。弹性变形使结构可以重复使用。然而，传统的弯曲梁单元设计过程忽略了支撑框架的影响，导致在制造的超材料中梁的约束不足。它的力学性能和稳定状态的数量可以显著偏离理论预测。本文提出了一种基于框架增强弯曲梁的新型多稳定超材料，该材料具有改进的、一致的能量捕获能力。三种单元格的有限元对比分析表明，所提出的单元格具有优异的双稳定性。此外，参数分析表明，所提出的单元具有更大的参数范围，可以实现双稳定性。通过压缩试验获得了单胞1 ×1 和2 × 2超材料的力学性能。结果验证了与单元胞数相关的线性力学响应，从而实现了多稳定超材料的优化规划。最后，通过平板冲击试验，对多稳定型超材料的缓冲性能进行了研究和分析。

这项工作提出了一种新的FR电池，用于改善传统弯曲束电池的双稳态行为和能量捕获效率，为设计可编程超材料提供了潜力。对比分析了具有相同曲线梁规格的三种单元格的力学性能。通过参数分析研究了弯曲光束参数对双稳态性能和能量捕获性能的影响。最后，对11个单元格和22个超材料样品进行了静力试验，验证了所提出的FR格可编程特性的有限元分析结果。通过平板冲击试验研究了多稳定超材料的缓冲性能。结论是，新型FR结构在单细胞和多细胞平行排列中都表现出优越的力学性能，具有可预测的线性关系。FR设计允许弯曲梁在更大的参数范围内实现双稳态，并使其获得更接近理论预测结果的力学性能，从而增加了设计多稳态超材料的灵活性。所制备的新型多稳定超材料通过峰值力限制峰值加速度响应，并通过多稳定机制捕获冲击能量，从而获得了良好的缓冲性能。

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