拉胀多孔材料及其夹层结构的冲击动力学特性和能量吸收机理

The auxetic cellular materials show much superiority to the traditional cellular materials due to the negative Poissons' ratio, such as the shear modulus, the fracture toughness, the indentation resistance and the energy absorption efficiency. Moreover, the syntropic curvature makes the auxetic cellular materials more suitable for the core of sandwich structures with curve shape. Thus the auxetic cellular materials have a good application future in aerospace and other engineering fields with high energy consumption. Both materials and structures usually suffer from dynamic crushing in applications.However, the dynamic behaviors of both the auxetic cellular materials and the sandwich structures are seldom reported in literatures. The aim of this project is to study the dynamic properties and the energy absorption mechanism of auxetic cellular materials and the sandwich structures by employing experiments, numerical simulations and theoretical analysis. Based on the cells' deformation mechanism of the auxetic cellular materials, the macro-properties of the auxetic cellular materials will be related with the meso-structural parameters, the loading process and the loading conditions. The energy absorption mechanism of the auxetic cellular materials will be explored under dynamic indentation. Then the response of the sandwich structures with auxetic cellular materials as the core will be studied under impact loading. And the analytical model will be build to predict the impact resistance and the energy absorption, which will provide a theoretical basis for engineering design in applications.

拉胀多孔材料与传统多孔材料相比，由于负泊松比效应具有更高的剪切模量和断裂韧性，其抵抗局部压入荷载的能力和能量吸收效率都远高于传统多孔材料。除此之外，它特有的同向曲率特征使它更适合用于曲面夹层板的芯层，在航空航天以及其他高能耗装备领域有着广阔的应用前景。在应用中材料和结构往往会受到冲击荷载的作用，而目前国内外关于拉胀多孔材料及其夹层结构在冲击荷载下力学性能的报道很少。本项目以拉胀多孔材料及其夹层结构在冲击荷载下的动力学特性和能量耗散机理为研究目标，采用实验、数值计算和理论分析相结合的方法，从探讨拉胀多孔材料细观结构的变形机制入手开展研究。建立拉胀多孔材料宏观属性与细观参数、加载过程和加载条件等之间的关系，分析其在局部冲击荷载下的能量耗散机理，并建立相应的力学模型。进而研究拉胀多孔材料夹层结构在冲击荷载下的动力响应，构建其抗冲击能力和能量吸收性能的预测模型，为工业设计提供理论依据。

自1987年Science杂志上首次报道人工制备的负泊松比聚氨酯泡沫以来，拉胀材料一直被认为比常规材料具有很多优异的性能，如具有更高的剪切模量和断裂韧性，更强的抗压入能力等，加上其特有的双曲率特征，在航空航天以及其他高能耗装备领域有着广阔的应用前景。国内外对拉胀多孔材料（尤其在大变形和冲击荷载下）的深入研究和力学性能预测较为缺乏。.本项目首先揭示了传统理论对拉胀材料力学性能预测的误解：按照经典连续介质理论，负泊松比材料可以具有更高的剪切模量，而本项目研究表明具有负泊松比的拉胀蜂窝的剪切模量不是总高于具有正泊松比的传统蜂窝，这决定于胞孔结构的几何构型；根据弹性理论普遍认为拉胀材料的抗压入能力大于普通材料，而本项目研究表明拉胀蜂窝在大变形下不一定比普通蜂窝具有更高的抗压入能力，而是存在一个临界泊松比；由于胞孔结构的惯性效应，普遍认为拉胀多孔材料在动态冲击荷载下，随着冲击速度的增加，材料的负泊松比效应将减弱，而本项目研究表明冲击速度在变形早期确实对拉胀蜂窝负泊松比效应影响很大，但随着变形增加该影响减弱，当应变超过0.2后，冲击速度对拉胀蜂窝泊松比的影响几乎消失。这些研究成果为人们重新正确认识拉胀材料的力学性能提供了依据。.拉胀蜂窝材料面内刚度一般较低。结合具有负泊松比的内凹蜂窝和具有较高承载力的菱形蜂窝，设计了两种增强的拉胀蜂窝。结果表明该蜂窝保持了负泊松比性质，同时弹性模量和承载能力可提高几十到几百倍。这为负泊松比材料的优化和设计提供了一条新思路。引入了等效退化思想，给出了内嵌杆屈曲前和屈曲后，蜂窝结构弹性本构的解析表达式，并与数值模拟进行对比。结果表明，由于内嵌增强杆件的屈曲，结构在单向受压时将表现出明显的双线性特征。分析方法对于类似的内嵌增强蜂窝具有普遍适用性。.以ABS做基体材料，分别制备了内凹反手性蜂窝和三韧带反手性蜂窝。压缩试验表明，这些蜂窝的变形以韧带弯曲、韧带绕塑性铰的转动以及圆柱的刚性转动为主导。基于胞孔的坍塌模式，建立理论模型分别预测了蜂窝的平台应力及泊松比，分析了胞孔几何参数对两种蜂窝力学性能的影响。基于二维手性结构，设计出一类能实现三维拉胀效应的特殊材料，并通过3D打印制备出试件进行试验。并给出了描述此类三维拉胀材料等效参数的解析公式。通过调整倾斜杆倾角，此类三维结构亦可实现两个方向泊松比、一个方向正泊松效应。这为设计新型拉胀材料提供了新思路。