 晶格结构具有较高的力学性能和轻量化特点，在汽车、轨道交通和航空航天等领域的应用日益受到重视。设计异型晶格单元结构是获得具备高性能超材料结构的重要方法。其中，负泊松比结构因其具备高抗冲击、抗侵彻性能等在载运工具耐撞性、防爆炸冲击装备领域等备受青睐，受到研究学者广泛的研究讨论。近几年，不同结构形式的负泊松比超材料层出不穷，从二维蜂窝到三维点阵、桁架结构等，将负泊松比结构设计推向一个新的高度，极大地提高了负泊松比超材料的力学性能。2022年7月，复合材料领域的TOP期刊Composite Structures在线发表了中南大学有关负泊松比结构在冲击力学方面的研究工作，论文标题为：On impact behaviors of 3D concave structures with negative Poisson’s ratio.文章通过光固化3D打印技术，制备了一种新型的三维内凹晶格结构。通过落锤实验方法和有限元方法研究了三维内凹晶格结构在低速冲击下的负泊松比行为和力学响应。
文章基于光固化3D打印DLP技术，使用光敏聚酯丙烯酸树脂制备了一种新型的三维内凹晶格结构。采用落锤试验机和数值模拟方法研究了该结构的轴向低速冲击行为。结果表明，这种新型的三维内凹结构能够在受到XYZ方向冲击下均能表现出明显的负泊松比行为。结构设计参数如内凹角和厚度对泊松比和能量吸收有显著影响。其中，凹角为10~20，厚度为0.5~1.0 mm的结构负泊松效应较为明显。负泊松比最高为-0.86。这项工作为设计具有更佳抗冲击性能的新型超材料结构提供了新的思路。 图1给出了三维内凹负泊松比结构，单元结构为由六个内凹面和六个连接杆构成的中空结构。图2阐释了光固化成型原理并展示了打印成型后的三维内凹点阵结构。
图1 三维内凹负泊松比结构的CAD模型
图2光固化成型原理与成型后的负泊松比点阵结构 图3给出了负泊松比结构的低速冲击（冲击速度为3.5m/s）行为以及对应的力学响应、能量吸收与不同位移时刻的负泊松比结果。实验结果表明，该负泊松比结构在受到冲击载荷时表现出三段不同的冲击响应。在第二段响应过程表现出最大的能量吸收与负泊松比效应。在分别受到XYZ单向轴向冲击时，其他两个方向均观察到同样的负泊松比行为。
图3负泊松比变形行为与响应结果 文章基于LS-DYNA对负泊松比结构的冲击过程进行了CAE分析。图4给出了负泊松比结构的有限元模型。
图4三维内凹负泊松比结构的有限元模型与边界条件 研究发现，在不同的内凹角度和厚度下，三维内凹结构呈现出不同的冲击变形模式，分别为，强负泊松行为，弱负泊松比行为，零负泊松行为和正负泊松行为，如图5所示。图6给出了压缩位移为9 mm时泊松比和能量吸收的具体定量结果。文章分析了内凹角度与厚度对泊松比与能量吸收的影响特点。最后，文章对比了新型三维内凹结构与文献中已报道结构的负泊松比效应，阐述了新型三维内凹结构的负泊松比优势及其在能量吸收方面的应用潜力。
图5三维内凹点阵结构参数对冲击响应模式的影响
图6内凹角与厚度对泊松比与能量吸收性能的影响 超材料结构能够表现出异乎寻常的优异性能，在多物理场耦合工况、多功能目标，以及极端环境工况如超高速冲击、超高/低温环境等都有着巨大的应用前景与潜力。在实际解决复杂工程问题中备受研究学者的关注与青睐。三维内凹负泊松比结构的研究为设计具有更高抗冲击性能的新型轻量化点阵结构提供新的思路。随着制造工艺的不断发展、分析工具的不断进步、结构设计方法的推陈出新，相信会有更多各种各样的超材料结构不断被学者们挖掘、研究并应用到实际的工程问题中，服务于人类的生活生产。 原始文献 Jin Wang, Xiaobo Luo, Kui Wang*, Song Yao, Yong Peng, On impact behaviors of 3D concave structures with negative Poisson’s ratio, Composite Structures, 2022, 298, 115999. 原文链接 https://www./science/article/pii/S0263822322007528 |
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