学术前沿 | 创新的 auxetic tubular 增强超材料：设计和机械性能

COMSOL 多物理场仿真技术 · 公众号 · · 2025-01-01 21:07

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在这项研究中，我们介绍了一种创新的 auxetic tubular reinforced （ATR）超材料的设计、制造和研究。综合分析了 ATR 超材料在准静态压缩下轴向和径向的力学性能和变形特性。我们采用实验和有限元方法对 ATR 超材料和原始 auxetic tubular （AT）超材料进行了比较分析。结果表明，ATR 结构在两个方向的准静态压缩过程中的机械性能都超过了原始的 AT 结构。随后，对关键结构参数——加强直肋的旋转角度进行了细致的参数分析。结果表明，作为几何参数的加固直肋的旋转角度可以有效影响 ATR 结构的泊松比。随着加强直肋旋转角度的增加，ATR 结构表现出优异的能量吸收能力。与原始 AT 结构相比，优化的 ATR 结构表现出显着的改进，在轴向准静态压缩下，能量吸收（EA）提高了 215%，比能量吸收（SEA）提高了 62%，能量吸收效率（EAE）提高了 46%。此外，在径向准静态压缩下，优化的 ATR 结构显示出显着的改进，其中 EA 增加了 514%，SEA 增加了 230%，EAE 增加了 52%。

在本研究中，设计并制造了一种创新的自膨胀管状增强（ATR）超材料，并对其进行了轴向和径向方向的准静态压缩测试及有限元分析（FEA）。ATR超材料是通过在原有的自膨胀管状（AT）结构基础上，增加增强直肋结构而开发的。制造过程中采用了不锈钢（316L）材料的3D打印技术，得到的ATR超材料通过准静态压缩负载-位移曲线和泊松比-应变曲线在轴向和径向方向上进行了评估。实验结果与有限元模型进行了比较，并利用验证过的有限元模型进行了参数化分析，以探索ATR超材料的力学行为。结果表明，所提出的ATR结构在轴向和径向压缩条件下，相较于原始的AT结构表现出更优越的力学性能。

参数分析表明，作为关键几何参数的增强直肋结构的旋转角度显著影响ATR结构的泊松比，并在决定其压缩行为方面起着至关重要的作用。随着旋转角度的增加，ATR结构的能量吸收能力得到了增强。特别是ATR-75°和ATR-90°结构，在轴向压缩下表现出最高的能量吸收能力，能量吸收（EA）增加了215%、比能量吸收（SEA）增加了62%、单位体积能量吸收（EAE）增加了46%；在径向压缩下，EA增加了514%、SEA增加了230%、EAE增加了52%，相比原始的AT结构有显著提高。本文提出的ATR结构展现了卓越的能量吸收效率和压缩稳定性，预示着在汽车和建筑等行业中的潜在应用前景。