主动调节负泊松比力学超材料

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泊松比是材料在产生弹性应变时的基本性能指标,已知的材料的泊松比一般在-1~0.5之间。现阶段对于负泊松比结构的研究主要是通过设计材料的几何形状或结构获得负泊松比效应。近年来,人们的研究方向从负泊松比结构的设计逐渐转向结构泊松比的可调节研究,通过结构的参数化设计,让其表现出需要的力学性能和变形形态,大量研究并广泛应用在吸能、绝热、隔音、减震等领域。本文设计了一种二维的类圆形多孔负泊松比结构,对其内部结构进行改进,将原本单元内的实心结构改为填充小圆柱的结构,采用基本梁理论进行理论计算,得到结构出现负泊松比的临界尺寸和临界填充刚度。采用ABAQUS仿真分析研究结构的变形过程。通过改变结构基本单元内部小圆片的填充情况,使单元本身呈现出正泊松比或负泊松比效应。再通过改变正负泊松比单元的组合比例及排列方式,使得多单元的整体结构实现泊松比从负到正的调节,得到了结构泊松比与单元排列组合之间的规律并通过压缩实验验证。进一步分析这种二维结构的振动特性冲击过程的吸能效果,可以发现,当结构填充和不填充时,其振动形态和模态相差较大,即结构单元内部填充与否不仅可以调节结构的力学性能,还可以调节其物理性能。通过自由振动实验得到结构的模态。改变结构单元的排列方式,研究振动在结构内部的传播规律;改变结构单元的填充比例,研究不同填充比例结构单元旋转过程中吸收的应变能。结构单元内部除了可以通过填充小圆柱来调节其泊松比外,还可以通过形状记忆材料或使用微结构改变单元内部的刚度来调节泊松比,例如十字花结构和轮轴结构等。使用不同的填充微结构,可以改变结构的刚度和泊松比。根据上述二维结构,进一步设计出一种一维的圆筒结构和两种三维立体结构,仿真分析其压缩过程。
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