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学术前沿 | 具有负泊松比的新型骨架联合管状超材料的增强能量吸收

COMSOL 多物理场仿真技术  · 公众号  ·  · 2024-08-20 22:05

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该研究引入了一种在超材料设计中平衡能量吸收(EA)和负泊松比(NPR)的新颖方法,该方法通常呈现所需的特性和相互冲突的目标。这是通过开发骨架联合管状超材料(SUTM)来实现的,SUTM是通过在传统凹入管状超材料(RETM)的单元结构内分裂和重构中央直列骨架而创建的。从单元到管状结构的创新设计使SUTM能够利用生成的可重入骨架实现高EA和改进NPR之间的折衷。实验和数值比较表明 SUTM 在 EA 和拉胀性能方面均优于 RETM。此外,该管采用了不常见的超材料平面外配置,因此该研究研究了各种管几何参数(包括管厚度、直径和高度)对 EA 和 NPR 的影响。此外,还提出并检验了一系列 SUTM 变体,强调了从晶胞角点生成的骨架在增强 EA 方面的有利作用

在本研究中,我们提出了一种新的SUTM,以解决实现高EA和NPR之间的冲突。首先,对SUTM与RETM进行了实验和数值比较。随后,分析了几何参数对SUTM力学性能的影响。最后,研究了具有不同骨架结构的管状材料的力学特性。

主要结论如下:(i)在相同的应力水平下,SUTM基本上比RETM具有更高的EA和更高的辅助效应。(ii)EA和NPR随管厚的变化趋势表明,EA的改善通常需要牺牲辅助效应。(iii)EA随着管径的增加而增加,而SEA先上升后下降。NPR随管径的增加而增大。(iv)当管高度超过90 mm时,EA随管高度的增加而增加,而SEA的趋势相反,辅助效应更强。(v)SUTM-1和从重入结构的角落产生的骨架对能量吸收更有帮助。骨骼角和骨骼间隙对能量吸收的影响是非线性的。

总的来说,所提出的SUTM展现出了显著的正应变性能和能量吸收能力,凸显出其作为能量吸收器的巨大潜力。此外,它还具有保护轴承组件和设计可编程结构的潜力。例如,所提出的管状金属材料可以作为汽车的前轴承组件使用。当发生汽车碰撞时,它们不仅可以吸收能量,而且其正应变特性还可以使其损伤向内形成,从而确保汽车中的人员不受伤害。所提出的SUTM可以在吸收能量的同时提供出色的正应变性能,这对于保护轴承组件具有重要意义。然而,本研究仅对结构不稳定的各种形式和潜在机制进行了有限的探索。深入研究结构不稳定性对于在未来的尝试中保持管状金属材料的稳定收缩状态至关重要。


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