几种弯曲主导型点阵超材料的屈曲与屈服行为研究

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近年来随着增材制造技术的发展,点阵超材料日益受到国内外工业界和学术界的重视。本文针对两种由曲杆组成的弯曲主导型周期性点阵超材料(Bending-dominant periodic Lattice)BDPL(A)和BDPL(B)进行了研究。采用数值模拟和实验分析,研究了BDPL(A)的屈曲与屈服行为,以及两种BDPL在准静态和动态加载下的能量吸收情况,揭示此类BDPL特殊的力学性能,并且讨论了这些新奇的宏观特性与材料微结构参数之间的联系。该研究能够为力学超材料的优化设计提供有益参考。具体工作包括如下几个方面:(1)研究了BDPL的面内、面外屈曲行为。通过数值模拟和实验观测发现,当BDPL(A)受到单轴压缩载荷时,可能发生面内屈曲和(或)面外屈曲两种弹性不稳定性行为。BDPL(A)的屈曲受到多个微结构参数的影响,通过参数化研究给出了面内/外屈曲的参数区间,为该类材料的设计优化提供了有益的指导。研究结果表明,增加曲杆的曲率会降低临界屈曲载荷。在长细比(S.R.)和相对密度(ρrel)较大时,首先发生的是面外屈曲。(2)建立了一种BDPL初始屈服面的理论分析方法。基于应变能等效原理,计算出点阵的宏观有效刚度。采用特殊位移场,借助于有限元分析可以得到点阵结点位移与宏观均匀应变之间的关系。进而,对单个周期性胞元的变形和受力关系进行分析,能够把其内每根曲杆的端部力表达为宏观应力场的线性函数。综合考虑曲杆轴力和弯矩的贡献,给出了一个计算有效应力的经验公式。在此基础上比较每根曲杆有效应力与基材屈服强度,便可绘制出BDPL的初始屈服面。以上方法适用于曲杆点阵,是对以前轴力点阵研究方法的一个重要改进。(3)数值分析了两种点阵在动静载荷下的其他特性。基于有限元模拟了BDPL(A)和BDPL(B)在准静态和动态加载条件的变形行为。采用胞元分析方法,揭示了BDPL(A)在单轴压缩载荷下的力学响应及杆的曲率对压溃性能的影响。对BDPL(A)的面外抗弯刚度进行了系统的参数化研究。还分别研究了超弹性和弹塑性BDPL(B)在动/静载荷下各自的能量吸收特性。结果表明,在准静态加载情况下,BDPL(B)会出现明显的压缩致剪效应——纵向压缩导致横向剪切变形。在高速载荷下,由超弹性基材TPU制成的BDPL(B)不仅产生了沿着冲击方向的纵波外,还出现了垂直于冲击方向的横向剪切波,这一新奇性能是传统材料所不具备的。
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