【摘 要】
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具有非正力学参数的超材料结构由于其独特的力学特性而受到了学术界广泛关注,其中非正泊松比结构近年来已经成为了机械超材料设计领域的热点问题。非正泊松比结构主要包括负泊松比、零泊松比以及可调控泊松比结构,可以针对工程实际中的具体要求进行结构的轻质化和功能化设计。目前对于非正泊松比结构的研究还存在很多不足,一是针对复杂曲型负泊松比结构的理论分析仍不成熟;二是针对三维零泊松比和可调控泊松比结构的设计以及变形
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（11672085）； 国家自然科学基金项目（12072092）；
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具有非正力学参数的超材料结构由于其独特的力学特性而受到了学术界广泛关注,其中非正泊松比结构近年来已经成为了机械超材料设计领域的热点问题。非正泊松比结构主要包括负泊松比、零泊松比以及可调控泊松比结构,可以针对工程实际中的具体要求进行结构的轻质化和功能化设计。目前对于非正泊松比结构的研究还存在很多不足,一是针对复杂曲型负泊松比结构的理论分析仍不成熟;二是针对三维零泊松比和可调控泊松比结构的设计以及变形模式缺少系统性研究,尤其是可调控泊松比结构参数和力学性能之间的联系;三是由于负泊松比结构的弯曲变形模式和内部空隙导致其力学性能对比传统材料有所不足,因此针对其刚度和强度的增强值得关注;四是非正泊松比结构结合其他非正参数从而实现多功能拓展。本文针对以上几点研究了几种非正泊松比结构准静态和冲击力学特性,主要研究内容如下:（1）通过对直杆双箭头结构的曲型改进设计,提出了二维双U形负泊松比蜂窝（2D DUH）结构设计,并建立了理论分析模型来预测结构的弹性模量和泊松比,通过实验和有限元仿真对结构在准静态、动态平压和局部冲击下的力学行为进行研究,深入分析其吸能特性。研究结果表明曲线构型可以减弱局部应力集中,增强结构负泊松比效应并提升了力学性能。（2）基于外凸正泊松比六边形和内凹负泊松比六边形构型,通过组合阵列获得一种三维零泊松比六边形（3D Aux Hex）结构,可以在纵向加载下在两个横向正交方向实现零泊松比变形,并建立了理论模型来预测结构的弹性模量、泊松比以及塑性平台应力,然后结合实验和仿真研究梯度结构的准静态和动态冲击性能。研究发现基于正负泊松比协调变形可以使零泊松比结构相对于单一负泊松比结构具有更优异的力学性能,此外正相对密度构型具有更好的冲击吸能表现。（3）基于泊松比补偿机制通过组合内凹和外凸四边形双箭头构型得到三维混杂双箭头（3D HDA）结构,可以通过调节其结构几何参数来实现可调控泊松比特性。之后利用理论、仿真和实验方法对可调控泊松比结构准静态和动态压溃研究,分析泊松比补偿机制下结构的泊松比效应和变形模式对吸能特性的影响。研究结果表明在混杂结构在准静态和低速加载时当泊松比趋于零时具有最高的吸能水平,在高速冲击下泊松比效应影响几乎消失。（4）对传统三维内凹双箭头杆梁（3D DATL）结构进行优化设计,通过将其相邻节点用平板连接提出新型三维薄板双箭头负泊松比（3D DAPL）结构来增强结构的刚度和强度,并通过实验和有限元仿真结合的方法研究其准静态和冲击力学性能。研究发现薄板结构可以大幅度提高结构的刚度强度以及冲击吸能特性。（5）基于传统弹性跳变单元设计得到一种二维跳变负泊松比负刚度（2D SNPS）结构,之后研究了结构的几何参数对力学性能的影响,并讨论了弹性梁的跳变行为在冲击吸能中的作用。最后引入双材料构型,通过改变曲梁初始稳定形态实现负/零/正热膨胀变形。
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