文章亮点：柔性材料实现可变形机翼技术对柔性材料力学性能要求较高，现有对于手性结构作为柔性材料驱动可变形机翼的研究以线性小变形为主。为了探究大变形条件下手性结构的力学性能，以三韧带手性、三韧带反手性、四韧带手性、四韧带反手性、六韧带手性的负泊松比结构为研究对象，基于蜂窝结构力学理论，对比分析拓扑结构和胞元几何参数对理想塑性材料本构模型的手性负泊松比结构面内压缩吸能特性的影响。结果表明：手性结构的弹性模量、平台应力和吸能能力与胞元参数α成反比，与胞元参数β成正比；拓扑结构对手性结构吸能特性影响明显，即具有相同单胞几何参数的手性结构吸能能力随着韧带数量的增加显著增强。
研究背景：负泊松比结构材料由于其优异的抗断裂、抗压痕、吸声性能和抗冲击性能等特性，国内外研究者开展了广泛的研究，并提出了各种具有负泊松比的构型。
手性负泊松比结构由一系列等半径的节点圆环通过等长的韧带连接而成，韧带的端部与节点圆环相切，韧带受力变形缠绕到节点圆环上，从而在宏观上表现出负泊松比现象。
Prall等首先提出了泊松比为-1的六韧带手性结构。随后各种其他手性构型也被提出，研究人员从不同角度研究了它们的静态、动态力学性能，Alderson等探究了三韧带结构和四韧带结构的手性配置和反手性配置，讨论其负泊松比变形机制，并进行平面单轴加载；邓雅天［7］研究了六韧带手性结构的面内、面外力学性能，并研究了胞元构型对韧带特性的影响；高飞宇从单胞结构角度出发，通过理论和有限元验证，研究了四韧带反手性蜂窝非均匀结构的面内、面外力学性能，发现通过改变韧带长度以达到手性结构与组成的薄板在特定边界条件下的弯曲挠曲线；王智基于微极理论研究了大变形情况下六韧带手性结构的变形模式以及等效工程常数的非线性计算公式，并对六韧带手性结构进行形状优化设计；张政等基于能量法和泛函极值分析，研究了结构变形模式对六韧带手性结构受面内冲击时韧带的冲击动载荷系数与韧带失稳坍塌临界压力的影响；赵显伟研究了四韧带手性结构面内、面外力学性能，并建立四韧带手性结构力学模型，探究了最小密度和最大弹性模量、最小弹性模量的关系，并通过手性结构蒙皮承载试验，对比了六韧带手性结构、四韧带手性结构和三韧带手性结构的面外承载能力；李俊杰等研究了超弹性材料的四韧带反手性结构在面内冲击作用下的变形机制和能量吸收特性；Liu K等提出了一种新型四韧带反手性结构，通过改变截面形状增强了结构等效力学性能，并通过理论分析、数值模拟对比了传统截面和改进截面在力学性能和变形模式的差异；Gao D等分别考虑了刚性节点圆环和韧带刚柔耦合的情况，推导了不同简化模型下六韧带手性结构的平台应力上限和下限，并通过有限元模型验证了理论公式的可靠性；Hu L等通过实验和理论分析研究了三韧带反手性结构大变形下的力学性能，基于实验结果，推导了三韧带反手性结构的泊松比和平台应力；张新春等基于率无关、刚性—理想塑性—锁定冲击波（R-P-P-L）模型推导了六韧带手性结构受面内冲击时平台应力和冲击速度的表达式。
手性负泊松比结构与其他负泊松比结构（诸如内凹结构、刚体/半刚体的旋转、穿孔板）不同的是，在面内压缩载荷下，旋转节点圆环驱动韧带围绕节点环缠绕。由于独特的变形机制，手性结构可用作变形机翼、发动机罩、液压支架吸能装置、汽车轮胎等。
相较于机械式变形，利用柔性材料自身弹性变形实现可变形机翼在弦长方向的变化，这种方法不仅重量轻，还能降低结构复杂程度，但这对柔性材料的结构性能提出更高的要求。因此研究手性负泊松比结构的力学性能显得尤为重要，通过调整结构参数，使手性结构兼具柔性材料和吸能材料的优点，具有更广阔的应用前景。
对于手性系负泊松比结构的力学性能，现有研究大多集中于单一构型的力学性能，如结构参数对结构等效工程常数及吸能能力的影响，冲击速度对结构吸能能力的影响等。目前针对手性负泊松比结构的拓扑构型对其力学性能影响的研究很少。本文以常见的三韧带手性、三韧带反手性、四韧带手性、四韧带反手性、六韧带手性五种手性负泊松比结构为研究对象，基于蜂窝结构力学理论，对比分析手性负泊松比结构在面内冲击响应，研究拓扑结构和冲击速度对手性负泊松比结构吸能特性的影响。
研究结论：1） 本文基于能量法推导了五种负泊松比结构的等效弹性模量，试验和有限元模拟结果表明本文复现的模型具有一定的适用性。且在考虑节点圆环柔性时，节点圆环和韧带的厚度相差越大，理论公式的误差越小。
2） 五种手性负泊松比结构的变形过程基本类似，局部变形方式略有不同。但随着冲击速度的增加，五种手性结构的冲击变形模式趋于一致。
3） 胞元几何参数对手性结构力学性能的影响：手性结构的弹性模量、平台应力和吸能能力与α成反比，与β成正比。
4） 拓扑结构对手性结构力学性能的影响：在胞元几何参数相同时，手性负泊松比结构的弹性模量、平台应力与吸能能力随着韧带数量的增加而增大。
手性结构在低速冲击时总是通过韧带绕中心节点的缠绕变形来吸收冲击动能，但不同的拓扑结构对应不同的变形模式。根据拓扑结构对于手性结构力学性能的影响，可以通过调整结构参数，使手性结构兼具柔性材料和吸能材料的优点，具有更优异的性能和更广阔的应用前景。
引用格式：耿一田, 郭英男, 袁伟, 等. 拓扑结构对二维手性负泊松比结构抗冲击性能的影响[J]. 航空工程进展, 2024, 15(5): 32-47. GENG Yitian, GUO Yingnan, YUAN Wei, et al. Influence of topology on the impact resistance performance of two-dimensionalchiral negative Poisson's ratio structures[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2024, 15(5): 32-47. (in Chinese)
扫码阅读全文
![]()
