發(fā)布時間：2020-11-11 05:05

　　 隨著節(jié)能減排成為現(xiàn)代社會的主旋律,工業(yè)裝備的輕量化越來越引起了人們的重視,而多胞結(jié)構(gòu)所具備的輕質(zhì)高性能的優(yōu)點也使得其在工業(yè)裝備上的應用有著廣闊的前景。作為一種新型多胞結(jié)構(gòu),負泊松比多胞結(jié)構(gòu)在受到軸向壓縮載荷的時候,能夠產(chǎn)生橫向的壓縮應變,表現(xiàn)出壓縮-收縮現(xiàn)象。這種變形特點使得負泊松比多胞結(jié)構(gòu)除了具備傳統(tǒng)多胞結(jié)構(gòu)輕質(zhì)的優(yōu)點以外,還展現(xiàn)出了很多特殊的性能特點,對提高工業(yè)裝備的性能有著重要的意義。獲得三維負泊松比多胞結(jié)構(gòu)的主要方法是通過制備負泊松比泡沫來實現(xiàn)的,這種制備方式得到的元胞很不均勻,不能表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的性能,而隨著增材制造等加工工藝的發(fā)展,使得制備出復雜形狀的結(jié)構(gòu)成為了可能。因此,研究新的三維負泊松比元胞變得尤為必要和迫切�；�于已有的二維負泊松比元胞,本文提出了一種新型三維負泊松比多胞結(jié)構(gòu),其能夠在橫截面內(nèi)的兩個方向上均產(chǎn)生壓縮應變,表現(xiàn)出更為明顯的負泊松比效應。通過建立這種三維結(jié)構(gòu)的相對密度理論公式,研究了元胞的結(jié)構(gòu)特點和變形機理,將相對密度用元胞夾角、厚度系數(shù)、長度系數(shù)、胞壁比例系數(shù)這四個幾何參數(shù)來表示,研究了幾何參數(shù)對相對密度的影響,并定義了幾何參數(shù)的取值范圍。在研究多胞結(jié)構(gòu)力學性能的過程中,通常的做法是將其假設為連續(xù)介質(zhì)并用等效彈性模量、等效泊松比等參數(shù)來描述其性能。因此,在本文中建立了基于單胞法的軸向壓縮理論模型,推導了等效泊松比、等效彈性模量的理論公式,并通過有限元模型驗證了理論公式的準確性,研究了幾何參數(shù)對彈性等效性能的影響。此外,在受到軸向壓縮載荷的時候,多胞結(jié)構(gòu)的失效原因主要為彈性屈曲和塑性坍塌。因此,基于單胞法分別建立了發(fā)生彈性屈曲和塑性坍塌時的極限應力理論公式,并研究了發(fā)生兩種失效模式的條件,結(jié)果表明：塑性坍塌是這種三維負泊松比多胞結(jié)構(gòu)的唯一失效模式。同樣的,通過有限元模型驗證了等效塑性坍塌應力理論公式的準確性,并研究了元胞幾何參數(shù)對其的影響。負泊松比多胞結(jié)構(gòu)的一個重要特點是性能增強效應,即在受到軸向壓縮的時候等效性能逐漸增強,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：在軸向壓縮過程中,壓縮-收縮的變形特點使得元胞的形狀發(fā)生變化。因此,對于負泊松比多胞結(jié)構(gòu)來說,用相對密度來描述等效性能會有很大的局限性,需要考慮幾何非線性的影響以及用關于元胞形狀的幾何參數(shù)來表征等效性能。為了研究這種負泊松比多胞結(jié)構(gòu)性能增強效應產(chǎn)生的機理,建立了考慮幾何非線性的軸向壓縮有限元模型,研究了大變形下的幾何參數(shù)對等效性能的影響,結(jié)果表明：這種負泊松比多胞結(jié)構(gòu)具備較高的比強度和較為明顯的剛度增強效應。多胞結(jié)構(gòu)的一個主要用途是作為能量吸收裝置,負泊松比多胞結(jié)構(gòu)也不例外。剛度增強效應使得其能夠在較低的相對密度下具備較高的平臺應力,對提高能量吸收性能有著重要的意義。本文通過建立這種三維負泊松比多胞結(jié)構(gòu)的軸向沖擊有限元模型,研究了元胞幾何參數(shù)和沖擊速度對能量吸收性能的影響,并研究了沖擊過程中的變形特點和能量吸收機理。與傳統(tǒng)多胞結(jié)構(gòu)不同的是,負泊松比多胞結(jié)構(gòu)平臺區(qū)的應力并不是圍繞著一個恒定值波動的,而是隨著應變地增大而增大,產(chǎn)生平臺應力增強效應。這種特點使得負泊松比多胞結(jié)構(gòu)的軸向壓縮過程發(fā)生了變化,根據(jù)不同階段的變形特點,本文將軸向沖擊變形過程進一步細分為四個區(qū)域：彈性區(qū)、平臺區(qū)、平臺應力增強區(qū)、密實化區(qū)。通過研究平臺應力增強的機理,建立了瞬時應力理論模型,研究了這種增強效應對能量吸收性能的影響。同時,為了使對能量吸收性能的研究變得更為直觀,根據(jù)各個區(qū)域的變形特點建立了模型化的能量吸收圖,研究了幾何參數(shù)對這種三維負泊松比多胞結(jié)構(gòu)能量吸收性能的影響。在將這種三維負泊松比多胞結(jié)構(gòu)應用到工程裝備的過程中,優(yōu)化出最佳的元胞形狀和結(jié)構(gòu)尺寸是十分必要的。在本文中,分別建立了吸收能量最大化、結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小化、峰應力最小化的優(yōu)化模型,并通過遺傳算法優(yōu)化出了以這三個性能為目標的綜合性能最好的元胞形狀。為了驗證這種結(jié)構(gòu)的有效性,將其應用在了白車身的設計中,按照吸能盒的法規(guī)要求,設計出了滿足性能要求的輕量化負泊松比多胞結(jié)構(gòu)吸能盒。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：O342
【部分圖文】：

Ｆｉｇ．１．１?Ｎａｔｕｒａｌ?ａｎｄ?ｍａｎ－ｍａｄｅ?ｃｅｌｌｕｌａｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ａｎｄ?ｍａｔｅｒｉａｌ：?ｗｏｏｄ，?ｂｏｎｅ，?ｐａｐｅｒ?ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ，?ｆｏａｍｅｄ??ａｌｕｍｉｎｕｍ??．２多胞結(jié)構(gòu)的分類和應用??人造和天然多胞結(jié)構(gòu)的種類非常多。按元胞的填充方式來區(qū)分，可以分為二維和三??多胞結(jié)構(gòu)。二維多胞結(jié)構(gòu)的元胞只在一個平面內(nèi)排布，通過元胞的拉伸來填充整個樣??空間，典型的二維多胞結(jié)構(gòu)是六邊形蜂巢。二維多胞結(jié)構(gòu)在各個方向上表現(xiàn)出的性能??異較大，分別用面內(nèi)性能和面外性能來表征。面內(nèi)的剛度和強度相對較小，但可以隨??元胞形狀的變化表現(xiàn)出較為多樣化的性能。而面外的剛度和強度較高，但不同二維多??結(jié)構(gòu)的面外性能特點基本相同。三維多胞結(jié)構(gòu)的元胞是由三維空間中的面和棱組成，??三維空間內(nèi)重復排列來填充整個樣件空間，典型的三維多胞結(jié)構(gòu)是泡沫錫。三維多胞??構(gòu)比較容易實現(xiàn)各向同性或者正交各向異性，使得各個方向表現(xiàn)出的性能特點基本相??。??按元胞的結(jié)構(gòu)來區(qū)分，也可以分為幵孔和閉孔多胞結(jié)構(gòu)。二維多胞結(jié)構(gòu)雖然在面外??向棱邊所圍成的面是閉合的，但是在面內(nèi)，棱邊圍成的面是開放的，所以絕大多數(shù)二??二。

２．２新型三維負泊松比多胞結(jié)構(gòu)的提出及其相對密度??在二維負泊松比多胞結(jié)構(gòu)的基礎上ＩＩ２、本文提出了一種新型三維負泊松比多胞結(jié)??構(gòu)。如圖２．１所示，三維元胞是由兩個二維元胞十字形交叉組成的，通過三維元胞在三??個方向上重復排列組成整個結(jié)構(gòu)。這種三維元胞是一種雙內(nèi)凹的三角形，所以是一種各??向異性的元胞。各向異性雖然能夠極大地擴展泊松比的取值范圍，但是也使這種元胞的??使用具有方向性，即只有在對稱軸方向的載荷才能產(chǎn)生負的泊松比。??＿參熟??二維元胞?三維元胞??圖２．］新型三維負泊松比多胞結(jié)構(gòu)??Ｆｉｇ．２．１?Ｔｈｅ?ｎｅｗ?ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｎｅｇａｔｉｖｅ?Ｐｏｉｓｓｏｎ＇ｓ?ｒａｔｉｏ?ｃｅｌｌｕｌａｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??１７??

?（２．１?）??Ａ??式中，Ｐｅ是多胞結(jié)構(gòu)的等效密度，Ｐｓ是制造胞壁所用材料的密度。如圖２．２所示為二??維元胞在平面內(nèi)的投影，將圖中的二維元胞平面幾何模型進行拉伸，那么二維元胞的等??效密度可以表示為：??Ｐｃ＝－＾?（２．２）??ＳｊＯ??式中，６為元胞的厚度，將公式２．２代入到相對密度公式中，二維多胞結(jié)構(gòu)的相對密度??可以表示為：??５，??Ｐｒｏ?ａｎ?＝?（２．３）??。２??式中，被定義為二維元胞最小單元的面積，？ｓ，被定義為在最小單元內(nèi)胞壁的面積。??圖２．２?二維負泊松比元胞的相對密度示意圖??Ｆｉｇ．２．２?Ｔｈｅ?ｒｅｌａｔｉｖｅ?ｄｅｎｓｉｔｙ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｎｅｇａｔｉｖｅ?Ｐｏｉｓｓｏｎ＇ｓ?ｒａｔｉｏ?ｃｅｌｌ??二維元胞的幾何參數(shù)如圖２．３所示。Ｚ和Ｍ分別是元胞長短胞壁的長度，／／是元胞??的高度，７Ｖ?＝?是元胞水平胞壁的長度，和０分別是元胞長短胞壁與元胞軸線的夾角，??被定義為元胞夾角。７；和ｒＭ分別是元胞長短胞壁的厚度，Ｔ，?＝ａＬ，Ｔ＾＝ａＭ，?？和／？??分別被定義為厚度系數(shù)和長度系數(shù)。值得注意的是

本文編號：2878784