International Journal of I E 分层双稳态混合超材料的刚性-柔性耦合设计和可重复使用的冲击缓解

文摘   2025-01-21 12:00   江苏  

具有负刚度或准零刚度的多稳定单元单元的机械超材料因其独特的力学性能和可重复利用的潜力而越来越受到人们的关注。本文提出了一种具有刚性-柔性耦合设计的分层双稳态混合超材料,证明了良好的缓解性能和对多重冲击的保护性能。该超材料由具有中心蜂窝的多层双稳态梁组成,由3D打印技术制造。首先,从理论上确定了超材料中弯曲梁的负刚度特性,并分析了有限元模型在不同网格尺寸下的收敛性。通过准静态压缩实验,验证了超材料的准零刚度特性,以及更稳定和均匀的变形模式。然后在球体冲击试验中研究了超材料的缓冲性能,结果显示,与刚性对照组相比,平均提高了约65%,同时验证了有限元模型的准确性。通过对变形模式和应变能的分析,证明了超材料的缓解机制,通过层状变形延长接触时间,分散冲击载荷,以降低峰值响应,而不是依赖于塑性应变。最后,通过十次平板冲击模拟,探讨了超材料的可重复使用性。结果表明,超材料在降低冲击响应的同时,降低了60%,降低了其结构的塑性应变,从而防止了堆芯部件的过早失效。这些结果表明,所提出的超材料在各种工程应用中具有巨大的潜力,包括飞机或航天器着陆保护、车辆行人保护,以及脆弱物体或精密仪器的运输保护。

在本工作中,提出了一种具有多稳定的弯曲梁的重复冲击缓解超材料。从理论上研究了超材料中多层弯曲梁的负刚度特性并验证了有限元模型的网格尺寸收敛性。然后,通过准静态实验研究了D-CMN单元的力-位移曲线和变形模式,初步验证了有限元模型的有效性。与刚性结构D-CSN相比,D-CMN表现出明显的准零刚度特性,在均匀的载荷分布下具有更稳定的变形过程。

然后,分析了球滴冲击实验中D-CMN 3×3的反作用力响应和仿真结果,进一步验证了有限元模型在动态仿真下的准确性。结果表明,与D-CSN 3×3相比,DCMN 3×3的峰值反作用力分别降低了63.2%和65.2%。由于双分子层的“柔性-刚性-柔性”布局,第一个波形的周期增加了大约1.6倍,这延长了碰撞的接触时间。最后,根据10次平板冲击模拟的结果,发现D-CMN 3×3在全平面冲击时的峰值反作用力平均降低了19.1%。此外,D-CMN 3×3的保护特性平均减少了60%的塑性应变能,表明所提出的超材料具有良好的可重复性抗冲击性,具有塑性应变能吸收的独立性。





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