負泊松比結構力學特性及應用研究

2020-11-27 騰訊網

隨著新結構/材料的不斷進步發展，具有特殊力學性能的負泊松比結構/材料應運而生。如圖1所示，負泊松比結構/材料在軸向受壓時側向收縮，軸向受拉時側向膨脹，在能量吸收、多孔滲透性、抗剪性和抗斷裂性等方面均具有較好的性能，從而被廣泛應用於汽車、船舶、航空航天和醫療等領域。

圖1 正、負泊松比結構/材料拉伸變形示意圖

如圖2所示，美國密西根大學馬正東團隊針對乘用車開創性地將負泊松比結構應用於汽車吸能盒、緩衝塊以及非充氣輪胎，相比傳統的結構具有更優越的力學性能；TM cross等將其應用於鞋底，從而更好地保護運動員；Karnessis等提出的負泊松比心血管支架，更有利於支架的植入及支撐；Gabriele Imbalzano等將負泊松比結構應用於防火、防雷和防爆結構。

圖2 負泊松比結構變形圖及應用

常見的負泊松比結構形式如圖3所示。同等質量下，雙箭頭形負泊松比結構具有更高的結構強度，且不易發生屈曲，從而受到廣泛的關注。

圖3 常見負泊松比結構形式

美國密西根大學馬正東團隊，南京理工大學王良模團隊，香港中文大學廖維新團隊密切合作，對雙箭頭形負泊松比結構的力學性能和應用進行了大量的理論研究和試驗驗證，為工程實際應用奠定了基礎，並取得了多項學術成果。其團隊高強等在《中國科學：技術科學》發表封面文章："圓柱形負泊松比結構的力學特性研究"。

如圖4所示，圓柱形負泊松比結構由二維結構演化而來。作者通過數值分析方法分析了結構參數對負泊松比結構在衝擊工況下的變形模式，闡述了變形模式對能量吸收的影響機理。通過合理的設計，可使結構具有較低的碰撞峰值力和較高的比吸能，從而使其能夠應用於汽車的吸能盒裝置。研究表明，相比傳統的吸能裝置，圓柱形負泊松比結構具有更優越的能量吸收特性，是一種具有廣闊應用前景的新結構。

圖4 圓柱形負泊松比結構變形圖及應用

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