基于新构型拉胀多孔材料的力学行为研究

Auxetic cellular materials, as a light function material and metamaterial with negative Poisson’s ratio, are widely used in fields of aerospace, defense industries, bio-medicine, and sensors due to its unique properties. Recently, auxetic cellular materials has been the focus of research in cellular materials. However, with less stiff than the solids from which they are made, need substantial porosity, structural applications of auxetic cellular materials are limited. Therefore, improvement of its stiffness and retention its density (or porosity) simultaneously becomes an important challenge in the research and application of auxetic cellular materials. In this project, we are planed to propose 2D and 3D novel concept of auxetic cellular structures with enhanced Young’s modulus and investigate its elastic and finite deformation behaviors with combining the experiments, analytical, and numerical simulations. The relation between the microstructural parameters and the macroscopic mechanical properties would be given and the deformation and deformation mechanism of the new structures under different load conditions would be revealed. Furthermore, the strength criterion and constitutive model of the novel concept of auxetic cellular structures would be obtained for engineering application to provide an insight into the optimal design of such materials.

作为一种轻质功能材料和具有负泊松比的超材料，拉胀多孔材料以其特有的力学性能在航空航天、军工、生物医学以及传感器等方面有着广泛的应用前景，近年来成为多孔材料力学研究的热点。然而，由于拉胀多孔材料固有的微结构特性，使得其刚度较小，从而限制了其在结构件上的应用。因此，如何在保持拉胀多孔材料密度（或孔隙度）不变的同时设法提高其刚度性能成为该类材料研究和应用中所面临的一个重要挑战。本项目拟提出弹性模量增强的二维和三维拉胀多孔材料新构型并以其为研究对象，基于理论分析、有限元数值模拟与实验研究相结合的方法，研究新构型拉胀多孔材料的弹性及其有限变形力学行为，建立微结构参数与其宏观力学性能之间的关系，揭示该类新构型拉胀多孔材料在不同载荷作用下的变形规律和变形机制，并建立工程上适用的失效判据及其本构关系模型，为该类新型拉胀多孔材料力学性能的优化设计和工程应用提供理论基础和技术支撑。

超材料作为热门前沿新材料，借助3D打印技术的发展，实现了从概念设计到实体制备的跨越，为满足航空航天、生物医疗等领域对新型功能材料的需求提供了可能。而拉胀超材料凭借着独特的力学性能，在很多领域都有着广泛的应用前景。然而，较低的刚度限制了其在轻质结构方面的应用。为了提高拉胀多孔材料的力学性能，本文提出了一系列新构型拉胀多孔材料，通过实验、理论分析与数值模拟相结合的方法对其力学行为进行深入的研究。建立了能够反映真实结构及受力情况的2D和3D新构型拉胀多孔材料的理论模型和有限元模型，研究了新构型多孔材料各个参数与其弹性性能之间的关系；进一步，通过数值模拟和实验研究的方法，对不同加载条件下新构型拉胀多孔材料的宏观力学行为进行了研究，揭示了材料参数、微结构设计对拉胀多孔材料应力-应变关系、变形和失效模式及吸能特性的影响规律；在实验和有限元数值模拟的基础上，建立了该类拉胀多孔材料在有限变形下和大变形下的本构模型，揭示了新增胞壁对新构型拉胀多孔材料的增强作用机理；建立了材料制备工艺参数与模型控制参数的联系，提出了新构型拉胀多孔材料力学性能的优化设计方法。研究结果显示，本项目提出的新构型拉胀多孔材料具备了较高的刚度、强度和吸能特性，为该类高性能轻质功能材料在工程上的应用提供了有力的支持。