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基于Abaqus插件开发的具有负泊松比蜂窝结构的力学性能研究
Study on mechanical properties of cellular structures with negative Poisson’s ratio based on the development of Abaqus plug-in tool
1. 主要摘要
本文开发了一款基于Abaqus软件的插件工具，用于具有负泊松比（NPR）蜂窝结构的力学性能预测与分析。选择了三种典型蜂窝结构：星形蜂窝（SH）、双头箭蜂窝（DAH）和倒转六边形蜂窝（RHH），并通过均匀化理论建立了力学性能预测模型。通过准静态压缩实验和模拟分析验证了这些结构的等效泊松比、弹性模量和平台应力。此外，开发的插件工具通过输入几何参数，能够快速自动化地生成目标蜂窝结构的力学模型和结果，并通过MATLAB进行曲线绘制。实验结果表明，该工具能够显著提高分析效率和准确性。
2. 引言
负泊松比材料（NPR）在受到压缩时会沿垂直方向膨胀，具备优异的设计性和能量吸收能力，广泛应用于汽车、航空航天和军事装备中。然而，NPR蜂窝结构的力学性能受多种因素影响，如几何参数、边界条件和载荷条件。以往的研究主要采用有限元法（FEM）分析其性能，但面临计算时间长、成本高的问题。因此，本文开发了一个基于Abaqus的插件工具，通过参数化建模和均匀化理论，自动化生成和分析NPR蜂窝结构的力学性能。
3. 主要内容
（1）蜂窝结构的选择与几何设计：本研究选择了三种代表性的NPR蜂窝结构：星形蜂窝（SH）、双头箭蜂窝（DAH）和倒转六边形蜂窝（RHH）。这些结构具有不同的几何特性，可以通过调整蜂窝单元的角度、宽度和高度来改变其力学性能。
通过均匀化理论，本文推导出了这些结构的等效泊松比、弹性模量和平台应力的理论表达式。这些力学模型通过几何参数进行参数化建模，并将其集成到Abaqus插件工具中，使用户能够通过简单的输入界面，快速获得蜂窝结构的力学性能预测。
（2）Abaqus插件工具的开发与应用：插件工具的开发基于Abaqus的Python编程接口。用户可以通过图形用户界面（GUI）输入几何参数、材料属性和载荷条件。插件工具会自动生成蜂窝结构的有限元模型，并完成从前处理到后处理的全部工作。具体步骤包括：自动网格划分、材料属性赋值、加载边界条件的定义以及结果输出。
插件还集成了MATLAB脚本，能够将模拟结果自动生成力学性能曲线，如泊松比、应力-应变曲线等。这一流程的自动化减少了人为干预的可能性，并提高了分析的效率。
（3)实验与模拟的验证：为了验证所开发插件工具的准确性，本文进行了多个准静态压缩实验，特别是对倒转六边形蜂窝（RHH）结构的验证。实验中，使用3D打印技术制造了实际样品，并进行了力学测试。通过对比实验和模拟结果，发现该插件工具在弹性模量、泊松比和平台应力方面与实验数据具有良好的一致性。
在实验验证中，模拟结果的相对误差控制在5%以内，证明了该工具在实际应用中的可靠性和准确性。
(4)NPR蜂窝结构的动态响应分析：本文还进一步使用该插件工具研究了倒转六边形蜂窝在不同冲击速度和角度下的动态力学响应。通过改变冲击角度和速度，分析了结构的应变-应力曲线和能量吸收特性。结果表明，冲击角度越大，蜂窝结构的能量吸收能力降低，且平台应力也有所下降。而在较高冲击速度下，蜂窝结构表现出更高的峰值碰撞力和更强的能量吸收能力。
(5)几何参数对蜂窝结构力学性能的影响：几何参数的变化对NPR蜂窝结构的力学性能有显著影响。通过该插件工具，本文系统分析了几何参数（如蜂窝单元的角度、边长比、单元数量等）对星形蜂窝（SH）结构的泊松比、弹性模量和平台应力的影响。
研究结果显示，增大单元角度会导致泊松比的下降，但同时平台应力和弹性模量会有不同程度的提高。通过这一分析，设计人员可以根据具体应用需求调整蜂窝结构的几何参数，从而优化其力学性能。
4. 主要结论
本文开发的Abaqus插件工具为具有负泊松比蜂窝结构的力学性能分析提供了一个高效且准确的解决方案。通过自动化建模和仿真，该工具能够显著减少计算时间，并保持高精度。实验验证表明，该工具能够准确预测不同NPR结构的弹性模量、泊松比和平台应力。此外，通过对几何参数的敏感性分析，用户可以进一步优化蜂窝结构的设计，以满足不同应用的需求。
未来研究可以基于本文的工作进一步扩展插件功能，以处理更多复杂的力学问题，例如振动响应、屈曲分析以及多物理场耦合等。同时，插件工具的应用前景广阔，特别是在汽车、航空航天以及新材料开发等领域，NPR蜂窝结构的潜力巨大，该工具将为NPR材料的广泛应用提供有力支持。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
受天然柚子皮结构的启发，发了一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》？
一区TOP期刊《Separation and Purification Tech》—新型非对称双室电化学反应器的设计与性能评估
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟冲击波电渗析过程中的关键参数
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM裂缝性地层颗粒-流体渗流模拟
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
