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博士学位论文三维负泊松比多胞结构的轴向压缩性能研究 博士学位论文 三维负泊松比多胞结构的轴向压缩性能研究 The study on axial compression properties of three-dimensional negative Poisson’S ratio cellular structure 作者姓名： 韭住 学 号： !Q曼Q3Q 12 指导教师： 塑垩数拯 答辩日期： 2Q 1 5 1鱼 大连理工大学 Dalian University of Technology 万方数据 大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我 所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成 果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的|_]志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有／1i实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期问论文工作的知识产权属于 大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 究 作者签名： 导师签名： 答辩委员会主席 万方数据 大连理工大学博士学位论文摘 大连理工大学博士学位论文 摘 要 随着节能减排成为现代社会的主旋律，工业装备的轻量化越来越引起了人们的重 视，而多胞结构所具备的轻质高性能的优点也使得其在工业装备上的应用有着广阔的前 景。作为一种新型多胞结构，负泊松比多胞结构在受到轴向压缩载荷的时候，能够产生 横向的压缩应变，表现出压缩．收缩现象。这种变形特点使得负泊松比多胞结构除了具 备传统多胞结构轻质的优点以外，还展现出了很多特殊的性能特点，对提高工业装备的 性能有着重要的意义。 获得三维负泊松比多胞结构的主要方法是通过制备负泊松比泡沫来实现的，这种制 备方式得到的元胞很不均匀，不能表现出较为稳定的性能，而随着增材制造等加工工艺 的发展，使得制备出复杂形状的结构成为了可能。因此，研究新的三维负泊松比元胞变 得尤为必要和迫切。基于已有的二维负泊松比元胞，本文提出了一种新型三维负泊松比 多胞结构，其能够在横截面内的两个方向上均产生压缩应变，表现出更为明显的负泊松 比效应。通过建立这种j维结构的相对密度理论公式，研究了元胞的结构特点和变形机 理，将相对密度用元胞夹角、厚度系数、长度系数、胞壁LI；N系数这阴个几何参数来表 示，研究了几何参数对相刘密度的影响，并定义了几何参数的取值范围。 在研究多胞结构力学性能的过程中，通常的做法是将其假设为连续介质并用等效弹 性模量、等效泊松比等参数来描述其性能。因此，在本文巾建立了基于单胞法的轴向压 缩理论模型，推导了等效泊松比、等效弹性模量的理论公式，并通过有限元模型验证了 理论公式的准确性，研究了JL％参数对弹性等效性能的影响。此外，在受到轴向压缩载 倚的时候，多胞结构的失效原因主要为弹性屈曲和塑性坍塌。因此，基于单胞法分别建 立了发生弹性属曲和塑性坍塌时的极限应力理论公式，并研究了发生两种失效模式的条 件，结果表明：塑性坍塌是这种三维负泊松比多胞结构的唯一失效模式。同样的，通过 有限元模型验证了等效塑性坍塌应力理论公式的准确性，并研究了元胞几何参数对其的 影响。 负泊松比多胞结构的一个霆要特点是性能增强效应，即在受到轴向压缩的时候等效 性能逐渐增强，产生这种现象的主要原因是：在轴向压缩过程中，压缩．收缩的变形特 点使得元胞的形状发生变化。因此，对于负泊松比多胞结构来说，用相对密度来描述等 效性能会有很大的局限性，需要考虑几何非线性的影响以及片j关于元胞形状的几何参数 来表征等效性能。为了研究这种负泊松比多胞结构性能增强效应产生的机理，建立了考 虑几Rtb-线性的轴向压缩有限元模型，研究了大变形I--的几何参数对等效性能的影响， 结果表明：这种负泊松比多胞结构具备较高的比强度和较为明显的刚度增强效应。 多胞结构的一个主要用途是作为能量吸收装置，负泊松比多胞结构也不例外。刚度 增强效应使得其能够在较低的相对密度下具备较高的平台应力，对提高能量吸收性能有 万方数据 三维负泊松比多胞结构的轴向压缩性能研究着重要的意义。本文通过建立这种三维负泊松比多胞结构的轴向冲击有限元模型，研究 三维负泊松比多