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学术前沿 | 组合板格拉胀结构的抗冲击性能

COMSOL 多物理场仿真技术  · 公众号  ·  · 2024-04-21 18:49

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胀材料因其非凡甚至异常的机械性能而引起了越来越多的关注。与传统的桁架格构不同,本文提出了一系列具有优异拉胀效应的新型拉胀板格结构。利用双材料无胶组装设计,涉及超弹性和塑性材料,这些板格展示了诸多优势,如可拆卸、装配、更换、可回收利用、可重复使用、优异的能量吸收、高比强度和抗冲击性能。进行了准静态/动态测试和模拟以评估力学性能,包括弹性常数、变形模式和机械响应。同时,分析了主要几何参数凹角对结构响应的影响,以及不同冲击速度下的影响。研究结果表明,凹角影响结构在压缩载荷下的弹性常数。应力-应变响应呈现出明显的双台阶现象。以A65(凹角为65°)配置为例,第二个平台上的应力约为第一个平台的2.7倍,显著增强了结构的能量吸收能力。在动态冲击载荷下,不同的配置和变化的冲击速度影响了结构的能量吸收性能。本文介绍了一系列具有拉胀效应的可组装板格结构,为轻量化、抗冲击机械超材料的便捷运输、非传统结构和快速组装需求提供了设计见解和指导。

本文提出了一系列凹形形变板-晶格结构,并采用双材料和增材制造技术的装配设计方案相结合的方法制备了样品。通过实验和数值方法,研究了凹形异形板点阵结构在准静态和动态加载条件下的力学性能。目前的研究结果可以得出以下结论:

(1) 使用3D打印技术制备了一系列样品,并进行了准静态压缩实验和自由落体冲击试验。通过有限元模拟验证了实验结果,证实了实验的有效性和所建立的有限元模型的正确性。

(2) 通过有限元分析和实验测试获得了板格的杨氏模量,并将其与以前的研究进行了比较。结果表明,与某些传统桁架格子相比,板格具有更高的杨氏模量。以A65配置为例,A65的杨氏模量是二维水平回字形蜂窝的9.57倍,是二维垂直回字形蜂窝的8.38倍,是三维水平回字形蜂窝的7.45倍,是三维垂直回字形蜂窝的5.58倍。与具有优异性能的双箭头结构相比,杨氏模量是其的1.4倍,是其的1.2倍。

(3) 通过一系列有限元模拟研究了凹角对结构弹性常数的影响。结果表明,随着凹角的增加,结构的相对密度逐渐降低,导致变形的增强效应减弱,但弹性模量增加。

(4) 进行了准静态压碎实验和模拟,表明三个实验组的重复性良好,与有限元结果一致。研究发现,在准静态压缩载荷下,结构表现出两个应力平台阶段,第二个平台的应力值是第一个平台的2.7倍(A65配置)。在到达不稳定应变之前,结构表现出明显的“盒子状”收缩,没有明显的边界效应。

(5) 进行了自由落体冲击模拟和实验,结果与模拟结果一致,证实了使用有限元模型模拟结构动态冲击响应的可行性。结果表明,凹形变形的板格结构具有出色的能量吸收能力和有利的负泊松比效应。

(6)通过数值模拟分析了不同冲击速度下凹折皱织物板结构动态响应。结果表明,相同的结构在不同冲击速度下表现出不同的机械响应。具体来说,在较低的冲击速度下,结构表现出反弹现象。随着冲击速度的增加,平台应力值和特定能量吸收量增加,而负泊松比效应减弱。

(7)通过数值模拟分析了不同冲击速度下不同结构的动态响应。结果表明,不同结构在不同速度下表现出不同的动态响应,具有不同的优势。A65配置在较低速度下表现出低峰值和高平台应力特点,具有出色的负泊松比效应。其泊松比值可达到约-1.4。角度较大的A72.5和A80配置表现出低和较长的应力平台特点,对受冲击对象提供更好的保护。在较高速度下,凹角度较小的结构逐渐展现出优势,表现出出色的能量吸收能力和折皱效应。

(8)通过数值模拟探索了双材料设计的优点。结果表明,在不同冲击速度下,双材料设计确保了结构的良好重复性,并增强了能量吸收能力。然而,随着冲击速度的增加,双材料结构相对于单材料结构的能量吸收优势逐渐减弱。关于折皱效应,双材料设计赋予结构更规则的变形模式,从而表现出更明显的折皱效应。



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