新型加固圆柱形负刚度超材料的力学性能研究与应用

作     者：潘怡 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙蓓蓓

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：负刚度结构 圆柱形 斜梁单元 力学性能 优化设计 抗冲击 

摘      要：冲击是工程中常见的恶劣环境,随着航空航天技术的发展,精密仪器的数量也随之增加,所以降低冲击保证设备部件的可靠性和安全性有着重要意义。负刚度超材料具有负刚度、双稳态、可重复等特殊性能,在抗冲击吸能等领域有着广泛的应用前景。负刚度超材料一般基于屈曲梁来实现,目前较多的研究集中于二维负刚度蜂窝结构和三维立方体负刚度结构,只有较少学者提出了圆柱形框架的负刚度结构,很多应用场景需要采用圆柱形的负刚度结构,并且当应用安装空间小时需要设计抗冲击和吸能水平更高的结构。本文在前人研究的基础上,为实现航天器非火工分离装置安装空间的充分利用以及圆柱形缓冲空间的应用需求,提出了一种加固圆柱形负刚度超材料,提高了抗冲击吸能水平以及刚度可调范围。本文还建立了理论、试验及仿真体系来评价和表征结构的性质,主要研究内容如下:(1)两种斜梁单元屈曲特性的研究。本文提出的负刚度结构由平面斜梁单元和圆柱面斜梁单元组成,对两种斜梁单元的负刚度、双稳态性能进行了理论解析。通过有限元仿真对获得解析公式进行验证,分析了高厚比、斜梁跨度、曲率等参数对斜梁单元力学性能的影响,发现主要影响参数为高厚比,为后文负刚度结构性能研究打下基础。(2)新型加固圆柱形负刚度结构的力学性能研究。主要从准静态压缩力位移曲线、吸能性能、抗冲击动力学性能三个方面对负刚度结构进行研究和评价。准静态和动态两种工况下的研究结果表明负刚度结构的力学性能不受应变速率的影响,动力学的加速度响应和准静态下的负刚度区力最大值之间存在线性关系。为了验证准静态仿真的可靠性,进行了3D打印和压缩试验。同时,利用吸能水平对负刚度结构进行评价时,为了获得更好的吸能性能,进行了基于Kriging代理模型的优化设计。(3)非火工星箭分离装置缓冲结构的应用与优化。将本文设计的加固圆柱形负刚度结构应用于非火工分离装置的圆柱形缓冲空间中,通过LS-DYNA建立显式动力学有限元模型并进行仿真,直接冲击的加速度峰值为269.3g,安装负刚度结构后下降到72.8g,下降约72.9%。为获得更好的缓冲效果,建立优化数学模型,对优化结构进行动力学仿真获得外壳加速度峰值为57.9g,较优化前降低了20.5%。本文的研究结果表明,新型加固圆柱形负刚度结构具有较好的抗冲击吸能性能,且在非火工分离装置中的应用具有较明显的效果,有望在更多领域得到广泛应用。