学术前沿 | 受拱桥启发的直弧耦合拉胀超材料的面内变形行为和能量吸收特性

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2024-07-25 21:37

正文

拉胀蜂窝超材料的微观结构和材料性能显着影响其变形行为和能量吸收。受拱桥的启发，设计了新型直弧耦合结构（SACS）和反SACS（R-SACS）拉胀超材料来增强能量吸收能力（EAC）。对蜂窝超材料在大变形下的准静态压缩和动态冲击响应进行了数值研究。进一步建立了一个理论模型来估计 R-SACS 蜂窝的平均平台应力 ()，并得到数值结果的验证。对于尼龙12和铝合金的R-SACS--3，有限元模型与理论模型的相对误差分别为-5.56%和-3.21%。采用尼龙12和铝合金两种基本材料，分析了具有相同几何参数的SACS和R-SACS蜂窝在准静态载荷和冲击载荷下的变形模式。讨论了基础材料的影响，铝合金结构由于分段变形而表现出更高的稳定性。与凹入结构 (RES) 相比，额外塑性角的创建显示出改进的特定能量吸收 (SEA)。SACS的SEA和SEA都是RES的1.3倍。R-SACS蜂窝超材料在冲击载荷下的峰值应力始终小于SACS，最大降低63%，具有更好的缓冲效果。

在这项工作中，从SACS中衍生出R-SACS，旨在提高机械性能和能量吸收能力。采用实验、理论和有限元法相结合的方法来探索准静态和动态压溃行为，以提高能量吸收能力。主要结论如下：

• 实验和数值模拟都表明，弧形设计可以增强R-SACS和SACS在准静态压缩下的应力，从而促进其EAC。特别是，R-SACS-3（铝合金）平台应力为2.09 MPa，比RES-3（1.52 MPa）高出51%。此外，R-SACS蜂窝结构的弧形设计有助于提高稳定性。

• 蜂窝结构的变形模式受到基本材料机械性能的显著影响。当使用工程塑料尼龙12作为基本材料时，整个结构同时变形。通过将具有更大弹性模量的铝合金作为基本材料，变形模式表现为明显的两步过程，这可以增强结构稳定性。

• 有限元分析表明，R-SACS蜂窝结构的弧形设计可以显著提高能量吸收能力。在低速加载条件下建立了两步变形模型，确定了平台应力的表达式。理论公式与FEM结果吻合良好，R-SACS-3的最大相对误差小于6%，证明了理论模型可以预测R-SACS的平台应力。同时，从变形模式和理论公式可以看出，R-SACS蜂窝的稳定性优于SACS，因为凹入弧容易变形以适应凹入角度。