当前手性蜂窝结构的研究除了关注结构本身所用材料以外,通过改变单元内部拓扑组合以提升力学性能成为绝大部分研究的重点,而大部分现有的手性蜂窝结构中都存在既会带来更大的结构刚度、同时也会增加整体结构重量的刚性大中心节点,所以在对结构柔性需求较高的工程领域,仍需开发具有更高变形能力的结构。针对现状,本文提出了一种易变形、延展性好的新型四手性细胞结构,研究分析该结构的力学性能。
通过能量法理论推导了梁结构力学性能的数值解,并用有限元方法进行了数值验证。通过参数分析,讨论了该结构的力学性能。在理论推导方面,根据截面法对单元结构进行受力分析,建立结构分别在拉伸载荷、剪切载荷下的应变能方程;根据卡氏第二定理推导出结构的形变、应变等,得到结构力学特性的理论数值解。在数值验证方面,利用软件ANSYS18.0建立相应的有限元模型,在网格无关性的验证后,进行网格划分、仿真模拟,得出相应力学性能系数。最后,在同等相对密度条件下,将本文所提结构与V型梁(下文简称VS)、anti-tetra-chiral structures(后面简称ATCS)进行对比,揭示了所提结构的力学性能优势。
从不同参数、下力学性能参数的理论预测、有限元仿真结果以及三种结构的理论预测结果图中可以看出,ϕ本研究推导得到的结构的理论预测性能与有限元实验仿真结果吻合较好。κ新型手性蜂窝结构的等效弹性模量低至10,且拥有较大范围的拉剪耦合系数,最低可达到-5.5。λ与ATCS和VS相比,新型手性蜂窝结构的等效弹性模量低至ATCS的73%,VS的10%;拉剪耦合效应高达ATCS的157%,VS的1544%;等效剪切模量与ATCS相比,可达2个数量级的降低;剪拉耦合效应最低可达ATCS的44%。μ新型手性蜂窝结构具有较宽的力学性能调节范围,约为ATCS和VS结构1.5~2倍,能满足更多状态下的结构力学性能需求。
本文所提结构作为一种由半圆弧以及直韧带梁组成的曲-直混合梁无刚性中心节点新型四手性蜂窝结构,相比传统手性结构具有高柔性、大拉剪耦合系数范围等特点。ϕ较长的直韧带对所提结构具有大柔韧性有重要影响,圆弧韧带的旋转对所提结构的耦合效应具有重要影响。κ该新型手性蜂窝结构可用于变体机翼、船舶、医疗支架等领域,且在变体与防护结构上拥有良好的应用前景。λ本研究在线弹性假设条件下开展,未考虑材料或结构的非线性。此外,本文所提新型手性蜂窝结构属于负泊松比结构,目前该结构在准静态与动态平压下的缓冲性能尚不明确,后续可对此开展深入研究。其他:本文在进行有限元仿真时,为了提高获取力学性能参数的效率,利用Matlab自动生成不同参数数值的APDL输入文件,并调用ANSYS进行模拟仿真以及输出结果,从而实现了有限元仿真输入输出的“自动化”。
手性蜂窝结构因其极其优异的力学性能表现以及广阔的应用市场前景受到极大关注。虽然已有较多的手性蜂窝结构被提出,但是它们大多都是直梁和刚性中心大节点的组合,这样的主流组合往往会因刚性中心大节点的存在而带来更大的结构刚度,同时也会消耗更多的材料。
本文提出了一种易变形、延展性好的新型四手性细胞结构,如
当前手性蜂窝结构的研究除了关注结构本身所用材料以外,通过改变单元内部拓扑组合以提升力学性能成为绝大部分研究的重点,而大部分现有的手性蜂窝结构中都存在既会带来更大的结构刚度、同时也会增加整体结构重量的刚性大中心节点。针对现状,本文提出了一种易变形、延展性好的新型四手性细胞结构,通过能量法理论推导了梁结构力学性能的数值解,并用有限元方法进行了数值验证。通过参数分析,讨论了该结构的力学性能。结果表明:该负泊松比结构具有优异的力学表现,等效弹性模量低至10−6,且拥有最低为−5.5的大拉剪耦合系数范围。其等效弹性模量最低仅有V型梁结构的10%,等效剪切模量低于ATCS结构2个数量级;力学性能调节范围也接近于ATCS的1.5至2倍。作为一种新型手性结构,更低的等效弹性模量与范围更广的拉剪耦合系数在航空航天、船舶、医疗等领域有着巨大的应用潜力。