仿生梯度多孔负泊松比结构的设计制备及缓冲抑振性能研究

Periodic cellular auxetic structures and bio-inspired gradient cellular structures have broad potential engineering applications due to their excellent buffer damping properties and designability. However, little research has been done on the hybrid structures combining both advantages of the two present structures that can effectively improve the overall mechanical properties of the structures. As application of ship buffer damping devices for the background, the present project focuses on the design, fabrication and mechanical properties of novel bio-inspired gradient cellular auxetic structures. The contents of the present project include: combing the characteristic of both auxetic and bio-inspired gradient cellular structures, the hybrid structures possess high stiffness, strength and excellent buffer damping properties are proposed. According to the different topological configurations and parent material properties of the structures, a manufacturing process with low cost, high efficiency and good forming quality is developed to fabricate the bio-inspired gradient cellular auxetic structures. By using numerical theoretical, numerical and experimental methods, the quasi-static deformation and failure modes of the structures are studied to explain their hysteresis effects and energy dissipation mechanisms; the impact and vibration response of the structures are also investigated to reveal their energy absorption and vibration reduction mechanisms. Results of the project may provide some necessary theoretical supports and technical reserves for the engineering application of novel bio-inspired gradient cellular auxetic structures.

有序多孔负泊松比结构和仿生梯度多孔结构因其都拥有优异的吸能缓冲、阻尼减振性能与可设计性在诸多工程领域具有广泛的应用前景，但关于将两者有机结合，使其优势相得益彰，从而有效提高结构综合力学性能的研究还很少。本项目以船舶吸能减振装置为应用背景，开展新型仿生梯度多孔负泊松比结构的设计、制备及其性能表征与评价研究。研究内容包括：结合负泊松比结构和仿生功能梯度结构特点，提出实现结构兼具高刚度（强度）和优异缓冲抑振性能的一体化设计方案；根据结构不同拓扑构型和母材特点，开发成本低、效率高、成型质量好的仿生梯度多孔负泊松比结构的制备工艺；采用理论、数值和试验相结合的方法，研究结构的准静态变形机理和失效模式，阐释其迟滞效应和耗能机理；研究结构的冲击和振动响应特性，揭示其吸能减振机理。研究成果可为新型仿生梯度多孔负泊松比结构的工程应用提供理论依据和技术储备。

有序多孔负泊松比结构和仿生功能梯度材料因其优异的吸能缓冲、阻尼减振性能和可设计性在诸多工程领域具有广泛的应用前景，但关于将两者有机结合，使其优势相得益彰，从而有效提高结构综合力学性能的研究还很少。本项目以船舶吸能减振装置为应用背景，围绕新型仿生梯度典型多孔结构及负泊松比结构的设计、制备及其性能表征与评价、缺陷敏感性分析及损伤识别方法等方面工作开展系统深入研究。. 首先，设计并制备了多层金属、复合材料和混杂梯度多孔结构，研究了其静力承载、振动阻尼和冲击吸能特性，发现梯度变化对结构的静态力学性能影响不大，对隔振和冲击性能影响较为明显，获得了梯度参数对结构隔振和抗冲击的影响规律。其次，发展了模压二次成型和堆叠组装工艺，实现了碳纤维增强复合材料梯度双箭头负泊松比多孔结构的制备，研究了单胞几何参数和梯度配置等参数对结构振动特性及减振性能的影响。结果发现，相比于正弦形结构，梯形结构通常具有更高的固有频率和更优的减振性能，相比其它均匀和梯度结构，渐弱结构具有更优的减振性能。为了进一步提高结构的能量吸收能力，设计出新型2D旋转阵列型负泊松比多孔结构并采用增材制造技术实现了结构的制备。研究发现，新型结构的能量吸收效率和隔振性能优于传统凹角六角和星形蜂窝负泊松比多孔结构。再者，提出了增强型3D梯度双箭头负泊松比多孔结构的设计方法并通过增材制造技术实现了结构的制备，研究发现，梯度配置对结构的准静态压缩能量吸收影响较小，但对其动态冲击能量吸收效率影响显著。最后，考虑到制造缺陷对此类结构性能的影响，开展了典型复合材料多孔结构和负泊松比结构的缺陷敏感性研究，揭示了缺陷类型、位置、大小等变量对结构力学性能及变形特性的影响规律，提出了基于模态柔度曲率变化的修正损伤指数，用于结构的缺陷损伤识别。结果表明，所提出的方法能较好地实现此类结构的初步损伤诊断。研究成果可为该类结构的减振吸能多功能设计和未来工程应用提供理论依据和技术储备。