梯度负泊松比蜂窝材料的冲击动力学性能分析-动力学与控制学报.PDFVIP

第１５卷第１期２０１７年２月 动力 学 与控 制 学报 Ｖｏｌ．１５Ｎｏ．１ １６７２６５５３／２０１７／１５ ／０５２７ Ｆｅｂ．２０１７ ⑴ ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＤＹＮＡＭＩＣＳＡＮＤＣＯＮＴＲＯＬ 梯度负泊松比蜂窝材料的冲击动力学性能分析 １ ２ 尹冠生　姚兆楠 （１．长安大学理学院，西安　７１００５４）（２．葛洲坝勘测设计研究院有限公司，武汉　４３００００） 摘要　借助非线性有限元程序 ＬＳＤＹＮＡ，基于功能梯度材料的概念，改变蜂窝胞壁厚度，建立了具有密度梯 度的内凹六边形负泊松比蜂窝材料模型．分析对比了均匀负泊松比蜂窝材料和梯度负泊松比蜂窝材料在不 同面内冲击速度下的变形模式、动态响应和能量吸收特性．研究表明，梯度负泊松比蜂窝材料的动态响应和 能量吸收能力受梯度、胞元内凹角度和冲击速度的影响．如果能适当选取各项参数，就可使材料在降低初始 应力峰值的同时保持良好的能量吸收能力．因此，具有密度梯度的负泊松比蜂窝材料在结构防护方面具有 良好的应用前景． 关键词　密度梯度，　负泊松比蜂窝材料，　功能梯度材料，　动态冲击，　力学性能 ＤＯＩ：　１０．６０５２／１６７２６５５３２０１６０３０ 动态响应和能量吸收性能的影响． 引言 一般来说，多孔材料的动态响应曲线会存在一 由于质量轻、抗冲击和能量吸收性能良好，蜂 个远大于平台应力（ｐｌａｔｅａｕｓｔｒｅｓｓ）的初始应力峰 窝（ｈｏｎｅｙｃｏｍｂｓ）和泡沫（ｆｏａｍｓ）等多孔材料被广泛 值，这对于其实际工程应用十分不利．因此，初始应 应用在国防、化工、能源、微电子、交通、生物医学、 力峰值的控制和能量吸收性能的增强控制成为蜂 ［１］ ［８］ 航空航天 等各个领域中．随着对负泊松比材料研 窝材料设计中的关键问题．功能梯度材料 究的深入，具有负泊松比效应的蜂窝材料也相应出 （ＦＧＭ）在受到面内冲击作用时，其动态响应和变 ［２］ 现．负泊松比（ａｕｘｅｔｉｃ）材料 在受到单轴拉伸时会 形模式会随着梯度的变化而在局部发生变化，这样 发生侧向膨胀，这种独特的“拉胀”行为使它表现 可以减少局部应力集中，确保结构的整体性和可靠 出更强的力学和物理特性，包括剪切模量、断裂韧 性．因此，与传统多孔材料相比，功能梯度多孔材料 ［３］ 性、热冲击强度、压痕阻力等．１９８２年，Ａｓｈｂｙ 首 在抗冲击、能量吸收等方面具有一定的优越性．Ｖ． ［９］ 先提出，由细胞结构组成的材料能够通过变形产生 Ｐ．ＷＳｈｉｍ等 探讨了正方形和六边形排布的圆环 负泊松比效应，这一成果使负泊松比材料的研究与 蜂窝在面内动态荷载作用下的变形机制和力学性 ［４］ ［１０］ ［１１］ 应用得到发展．１９８７年，Ｌａｋｅｓ 通过对普通聚氨酯 能；Ｌ．Ｌ．Ｈｕ 、Ｄ．Ｋａｒａｇｉｏｚｏｖａ 等研究了圆环蜂 泡沫进行三维压缩、加热、冷却和松弛处理，首次得 窝材料在动态冲击下的变