负泊松比材料的吸能机理与宏观等效性能预测及方法

Negative Poisson's ratio material, as a kind of lightweight and high-performance hot material that is easy to realize function-oriented design, is of great importance to the automobile industry. In this project, negative Poisson's ratio material is taken as the research object to study its energy absorption mechanism and solve the problem of excessive degree of freedom in its solution. .Firstly, a three-dimensional material with negative Poisson's ratio is designed and proposed, and its microstructure is theoretically modeled and the negative Poisson's ratio effect is verified. In order to explain the problem of energy absorption mechanism, an analytical expression of energy absorption for quasi-static plastic collapse process is established. .Based on the impact test and high-precision finite element analysis, the energy transfer between microstructure cells under dynamic impact is studied. On the basis of explaining the mechanism of energy absorption, in order to realize the concurrent design of negative Poisson's ratio materials on the vehicle body, a homogenization method based on stress is proposed. The method relaxes the assumption conditions so as to be suitable for negative Poisson's ratio materials with periodic microstructure, and carries out macro equivalent property prediction. Using time-dependent surrogate model technology, the realization method of process-oriented material equivalent collision performance is studied. .Finally, the problem that the degree of freedom for solving negative Poisson's ratio materials is too large is solved. The unification of two-scale analysis on implicit analysis and large deformation explicit dynamic analysis is innovatively realized.

负泊松比材料作为一种轻质高性能且易于实现功能导向设计的热点材料，对于汽车工业的重要性不言而喻。项目以负泊松比材料为研究对象，研究其吸能机理并解决其求解自由度过大的问题。. 首先，通过对负泊松比效应分析，设计得到一种三维负泊松比材料并验证材料模型具有此效应，针对其微结构进行理论建模。为解释吸能机理，对其建立面向准静态塑性坍塌过程的吸能解析表达；基于冲击试验与高精度有限元分析，针对动态冲击下的材料微结构胞元间能量迁移问题展开研究。. 在解释吸能机理的基础上，为了实现负泊松比材料在车身上的并发设计，提出一种基于应力的均质化方法，预测负泊松比材料宏观等效性质；采用时间相关的代理模型技术，研究面向过程的负泊松比材料等效碰撞性能的实现方法。. 最终解决了负泊松比材料求解自由度过大的问题。创新地实现了双尺度分析在隐式分析与大变形显式动力学分析两个问题上的统一。

负泊松比材料具有轻质高性能的优势，兼具强大的功能导向设计能力，在结构轻量化领域具有很大潜力，同时，可高效提升车辆抗撞性能，对于汽车工业的重要性不言而喻。项目以负泊松比材料为研究对象，研究其吸能机理并解决其求解自由度过大的问题。通过分析负泊松比效应，设计得到一种三维负泊松比材料并验证材料模型具有此效应，针对其微结构进行理论建模。为解释吸能机理，对其建立面向准静态塑性坍塌过程的吸能解析表达；基于冲击试验与高精度有限元分析，针对动态冲击下的材料微结构胞元间能量迁移问题展开研究。实现了负泊松比材料微结构理论建模与参数化设计；发现了负泊松比材料横向单胞间节点内缩牵连机制，明确了负泊松比材料加载状态下的内力流动特征，总结得出部分负泊松比材料微结构的变形模式；推导了面向准静态塑性坍塌过程的吸能解析表达形式；建立了一种负泊松比材料等效泊松比的理论模型，实现了等效泊松比在多胞结构上的推广，发展了一种负泊松比材料等效弹性模量推导计算与预测方法，建立了负泊松比材料的相对密度（等效密度）理论模型；以数值模拟与试验的方式，验证了设计结构的负泊松比效应、静态压缩与动态冲击响应，探索了负泊松比材料填充于不同吸能管件的耦合增强效应；设计开发了负泊松比材料吸能盒、负泊松比材料阶梯状填充型吸能盒、基于负泊松比结构的溃缩式汽车转向装置、负泊松比吸能盒与点阵夹层防撞梁复合前部总成。通过研究，总结得出5种胞元的基本变形模式、制备试件20件、运行数值模拟200余例、执行试验19批次、提出并设计工程应用3项。项目的实施，为实现更大尺度上具有材料属性意义上的负泊松比材料提供了基础设计方法；从负泊松比材料准静态塑性坍塌过程中吸能解析表达与冲击载荷下负泊松比材料微结构能量流动机制两个角度，给出负泊松比材料吸能机理的一种解释。为追求抗撞性能与轻质性能并重的装备制造领域提供了一些解决思路，促进了轻质高性能的负泊松比材料更大范围地走向工程应用。