3D打印扭转蜂窝结构的吸能性能研究

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蜂窝结构由于其能量吸收特性良好,比强度与比刚度高,可设计性突出,因此被广泛应用于诸如冲击缓冲和能量吸收结构等工程领域。为了改善常规蜂窝的力学性能,众多研究人员通过多层级设计、梯度密度设计以及仿生设计等方法开发出力学性能优异的蜂窝结构。仿生设计被认为是一种简单有效的策略,可以提高蜂窝材料的力学和吸能性能。然而,传统的制备工艺难以制备具有异型形状的蜂窝材料,比如具有三角晶格的多层级蜂窝、梯度密度的梯度蜂窝以及具有扭转形状的扭转蜂窝。因此,对于新型蜂窝结构的设计、制备以及试验的研究成果比较缺乏。近期,增材制造技术发展迅速,使得制备异型蜂窝结构变为可能。新型蜂窝结构的设计与制备不再受到限制。本文基于常规蜂窝(RH)与常规方形蜂窝,采用仿生设计方法,设计出了双层扭转蜂窝(DLHH)与多层扭转方形蜂窝(HLSH)。通过3D打印技术制备了不同相对密度的样品,以准静态压缩试验测试了新型蜂窝的力学性能。采用有限元模拟分析了新型扭转蜂窝结构的变形机理和理论模型,从而揭示了其吸能调控机理。双层扭转蜂窝(DLHH)在准静态压缩下呈现出层层坍塌的变形模式。在压缩过程中,双层扭转蜂窝(DLHH)显示出独特的双弹性力学响应。仿真结果表明双层扭转蜂窝以细胞壁的塑性屈曲主导变形。在不同的相对密度下,双层扭转蜂窝(DLHH)的力学与吸能性能均优于常规蜂窝(RH)。最后,通过幂律定律拟合推导,得到了常规蜂窝(RH)与双层扭转蜂窝(DLHH)的力学性能理论预测模型。多层扭转方形蜂窝(HLSH)在准静态压缩下,表现出优异的力学与吸能性能。在低相对密度下,多层扭转方形蜂窝(HLSH)的力学性能优于常规方形蜂窝(RESH)。在所有相对密度下,多层扭转蜂窝(DLHH)的平台应力和吸能性能均优于常规方形蜂窝(RESH)。随着扭转层数量的增加,多层扭转蜂窝结构的力学与吸能性能逐渐增加。有限元模拟结果分析表明,多层扭转方形蜂窝(HLSH)以细胞壁塑性屈曲主导变形,并且在压缩过程中有更多的单胞参与变形,所以具有更高的平台应力与吸能性能。
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