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负泊松比蜂窝空腔覆盖层水下爆炸抗冲性能研究

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振动与冲击 2019年第21期38卷 126-132页

作者：李俊杰陶猛叶韩峰贵州大学机械工程学院

基于显示动力学有限元ABAQUS/Explicit建立了流固耦合计算模型。研究了具有负泊松比特性的橡胶蜂窝空腔覆盖层在水下非接触性爆炸作用下的抗冲特性,分析了覆盖层的动态响应并讨论了高度、胞元壁厚和扩张角度等结构参数对覆盖层抗冲击性... 详细信息

基于显示动力学有限元ABAQUS/Explicit建立了流固耦合计算模型。研究了具有负泊松比特性的橡胶蜂窝空腔覆盖层在水下非接触性爆炸作用下的抗冲特性,分析了覆盖层的动态响应并讨论了高度、胞元壁厚和扩张角度等结构参数对覆盖层抗冲击性能的影响。结果表明,负泊松比蜂窝覆盖层水下爆炸抗冲性能依赖于结构参数,随着高度增加、胞元壁厚的减小、扩展角绝对值的增大,覆盖层的抗冲性能得到有效提高。

关键词：负泊松比蜂窝橡胶覆盖层水下非接触性爆炸抗冲性能

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基于机器学习的负泊松比蜂窝的面内力学性能预测

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复合材料学报 2024年第7期41卷 3803-3812页

作者：马佩张君华权铁汉北京信息科技大学机电工程学院北京100192

负泊松比蜂窝结构具有优良的力学性能,本文开发并对比了两种多输入多输出的人工神经网络模型(ANN),用于预测不同几何参数下负泊松比蜂窝结构的能量吸收特性。采用蜂窝胞元的胞角θ、直壁长度与胞元高度之比L/H和厚度t作为ANN的输入,输... 详细信息

负泊松比蜂窝结构具有优良的力学性能,本文开发并对比了两种多输入多输出的人工神经网络模型(ANN),用于预测不同几何参数下负泊松比蜂窝结构的能量吸收特性。采用蜂窝胞元的胞角θ、直壁长度与胞元高度之比L/H和厚度t作为ANN的输入,输出是蜂窝结构的初始峰值力、平台力和蜂窝结构的总能量吸收。验证集的误差全部在8%内,且验证集和测试集的平均相关系数R^(2)都大于98.2%,说明神经网络可以获得良好的预测效果,这表明ANN有能力学习和捕捉将蜂窝的拓扑结构及其力学性能联系起来的潜在物理机制。开发的两种神经网络中,与ANN1相比,ANN2的网络参数更多,网络结构更复杂,有更好地预测精度和训练速度。通过对给定几何参数的蜂窝结构的力学性能进行快速预测得到了吸能高的蜂窝结构。建立了反向设计网络对蜂窝结构进行反向设计,发现网络对蜂窝结构的胞角θ和壁厚t预测效果良好,对L/H的预测效果相对较差,由于L/H对初始峰值力、平台力和总能量吸收影响很小。此外进行了蜂窝几何参数的敏感度分析,结果表明蜂窝结构的几何参数对初始峰值力、平台力和总能量吸收的敏感度趋势一致,蜂窝胞元厚度t的敏感度最高,L/H对能量的敏感度最低。对于敏感度高的参数反向设计网络预测效果好,反之敏感度低的参数预测效果相对较差。总之,ANN为蜂窝结构吸能性能的研究提供了一种快速准确的方法,有望加快蜂窝结构的优化和设计进程。

关键词：负泊松比蜂窝吸能神经网络参数敏感度机器学习

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火炮发射载荷下负泊松比蜂窝结构抗冲击性能研究

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兵器装备工程学报 2021年第10期42卷 97-102页

作者：朱建生武天宇陆军炮兵防空兵学院合肥230031

利用Ansys/LS-DYNA软件,对规则六边形蜂窝的抗冲击性能进行了数值仿真,验证了数值建模方法的可靠性;对火炮发射载荷下负泊松比结构减载组件的动态响应进行了研究,结果表明负泊松比蜂窝结构具有优异的抗冲击性能;分析了胞元内角、胞元尺... 详细信息

利用Ansys/LS-DYNA软件,对规则六边形蜂窝的抗冲击性能进行了数值仿真,验证了数值建模方法的可靠性;对火炮发射载荷下负泊松比结构减载组件的动态响应进行了研究,结果表明负泊松比蜂窝结构具有优异的抗冲击性能;分析了胞元内角、胞元尺寸、胞元壁厚等因素对减载性能的影响。研究结果可为弹载器件抗高过载设计提供借鉴。

关键词：负泊松比蜂窝抗过载能量吸收胞元内角胞元尺寸胞元壁厚

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基于负泊松比蜂窝的复合式柔性蒙皮优化技术

复合材料学报 2024年

作者：郭瑜超聂小华宋晨艾森常亮西北工业大学国家卓越工程师学院中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室北京航空航天大学航空科学与工程学院

针对由负泊松比蜂窝夹芯和弹性表皮构成的复合式柔性蒙皮，提出了柔性蒙皮几何参数优化方法。首先，将柔性蒙皮的胞壁长度、胞壁夹角、蜂窝高度、胞壁厚度、表皮厚度等几何参数作为变量，设计了柔性蒙皮结构参数化建模方法；其次，通过... 详细信息

针对由负泊松比蜂窝夹芯和弹性表皮构成的复合式柔性蒙皮，提出了柔性蒙皮几何参数优化方法。首先，将柔性蒙皮的胞壁长度、胞壁夹角、蜂窝高度、胞壁厚度、表皮厚度等几何参数作为变量，设计了柔性蒙皮结构参数化建模方法；其次，通过均实验设计方法获取样本点，利用参数化方法构建柔性蒙皮结构有限元模型，并通过仿真获取各几何参数组合状态对应的结构性能；然后，基于响应面方法构造柔性蒙皮几何参数与结构性能关系的近似模型，并对近似模型的精度进行了定量评估；最后，以近似模型为基础，以柔性蒙皮几何参数为优化变量，综合考虑面内应变、泊松比、面外挠度、质量等因素，采用加权系数法构造了综合优化目标函数，并采用遗传算法进行优化，得到了柔性蒙皮结构综合性能最优的构型。构建了复合式柔性蒙皮有限元模型，进行优化方法验证，结果显示，优化后的构型与初始构型相比，面内变形能力提升30.73%，面外承载能力提高30%，结构质量减轻22.77%，泊松比降低20.73%。

关键词：变体飞机复合材料柔性蒙皮负泊松比蜂窝优化技术近似模型遗传算法

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强化型内凹蜂窝的力学特性研究

应用力学学报 2023年

作者：程志伟侯秀慧浙江大学航空航天学院西北工业大学力学与土木建筑学院复杂系统动力学与控制工业和信息化部重点实验室

在内凹六边形蜂窝（RHH）构型的基础上，通过往其胞元内部嵌入斜撑结构，提出了一种强化型的内凹蜂窝结构（ERH）。通过准静态压缩试验研究了其静力学性能，揭示了ERH单胞的变形机制。采用有限元模拟的方法，对ERH在低速（10m/s）和高速... 详细信息

在内凹六边形蜂窝（RHH）构型的基础上，通过往其胞元内部嵌入斜撑结构，提出了一种强化型的内凹蜂窝结构（ERH）。通过准静态压缩试验研究了其静力学性能，揭示了ERH单胞的变形机制。采用有限元模拟的方法，对ERH在低速（10m/s）和高速（100m/s）冲击载荷作用下的动力学响应进行了研究，具体分析了其变形模式、动态泊松比以及能量吸收能力等。研究发现，往胞元内部嵌入斜撑结构，对原结构的负泊松比特性不会产生很大的影响，反而能够增强蜂窝结构抵抗冲击变形的能力。通过对两种蜂窝结构比吸能的对比分析可知，ERH单位质量吸收的能量较RHH在低速和高速冲击载荷下分别能提高38.53%和13.85%，说明嵌入的斜撑结构同样能提高蜂窝结构的能量吸收能力。希望该研究能对负泊松比内凹蜂窝结构在工程实践中的应用提供参考。

关键词：负泊松比蜂窝准静态压缩面内冲击变形模式比吸能

3D打印纤维增强复合材料蜂窝结构设计及性能研究

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3D打印纤维增强复合材料蜂窝结构设计及性能研究

作者：张苗苗大连理工大学

学位级别：硕士

在《中国制造2025》的背景之下,3D打印作为目前研究热点之一,尤其是FDM打印在纤维增强复合材料零件成型方面具有较大优势。负泊松比蜂窝因其吸能性强、抗冲击、抗震等优点,在汽车及其他领域有较多的应用,但其变形具有单向不可恢复性,不... 详细信息

在《中国制造2025》的背景之下,3D打印作为目前研究热点之一,尤其是FDM打印在纤维增强复合材料零件成型方面具有较大优势。负泊松比蜂窝因其吸能性强、抗冲击、抗震等优点,在汽车及其他领域有较多的应用,但其变形具有单向不可恢复性,不可反复利用。针对这一问题,本文将重点研究负泊松比蜂窝的压缩性能,并对结构进行改进以实现吸能抗冲击以及回弹自锁可控的目的,具体研究内容如下:（1）通过拉伸试验测试研究了e-PA、e-PA/CF、PEEK以及PEEK/CF四种打印耗材的力学性能,包括拉伸强度、杨氏模量以及断裂伸长率;建立并通过熔融沉积打印技术实现负泊松比蜂窝成型,通过面内准静态压缩试验,研究不同材料对负泊松比蜂窝变形方式、力学性能、吸能性以及回弹性的影响,并将试验值与理论值做对比。结果表明,e-PA/CF材料的拉伸强度、杨氏模量最高;e-PA/CF材料相比较于PEEK/CF材料,加入碳纤维增强后,材料性能提升更为明显。蜂窝的变形方式均为“层层压溃”,对应平台阶段呈现波动变化;压缩强度、压缩模量、比吸能的最大值均为e-PA/CF蜂窝,且表现为较高的回弹性,故选用e-PA/CF耗材作为后续章节研究对象。（2）在负泊松比蜂窝的基础上改进设计蜂窝结构,并通过FDM打印等相对密度蜂窝。通过面内准静态压缩试验比较二者的变形方式、力学性能、吸能以及回弹情况。结果表明,负泊松比蜂窝表现为竖梁的失稳变形及变形不可恢复性,而改进负刚度蜂窝表现为斜梁的屈曲变形,释放压缩力后,变形具有可恢复性。等压缩位移时,负泊松比蜂窝的吸能能力要大于负刚度蜂窝,但回弹性小于负刚度蜂窝。（3）以e-PA/CF为打印耗材,通过面内准静态压缩试验,研究负刚度蜂窝的结构参数（包括夹角、横梁壁厚、竖梁壁厚以及斜梁壁厚）对蜂窝性能（包括变形方式、力学性能、吸能性以及回弹性）的影响。结果表明,负刚度蜂窝的变形方式主要表现为斜梁的“逐层屈曲”变形或局部对角斜梁的屈曲变形,且斜梁厚度相对偏小时,易实现斜梁自锁,而竖梁几乎不变形,横梁起到增强蜂窝刚度,限制横向变形的作用;蜂窝的吸能性随夹角、壁厚的增大而呈现出非线性增长趋势,并且夹角、壁厚对蜂窝吸能性的响应各不相同;调整结构参数,可实现蜂窝从回弹到自锁的变化。本文通过负泊松比蜂窝对不同材料的性能响应,为吸能防撞结构提供了参考;通过对负刚度蜂窝的结构设计,实现的可调控回弹结构在吸能缓冲、隔振降噪等方面具有较大的应用潜能。

关键词： 3D打印 e-PA/CF 面内准静态压缩试验负泊松比蜂窝负刚度蜂窝

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基于压电纤维复合材料的可扭转机翼结构研究

基于压电纤维复合材料的可扭转机翼结构研究

作者：黄建哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

智能变形机翼已然成为当今国际研究的热门课题之一，而智能扭转机翼作为其中一个重要的分支，国外也已完成了大量的工作，而国内对于智能扭转机翼的研究较少，还没有人能够提出一种较为可行的智能扭转机翼结构，本文力求在此方面展开突... 详细信息

智能变形机翼已然成为当今国际研究的热门课题之一，而智能扭转机翼作为其中一个重要的分支，国外也已完成了大量的工作，而国内对于智能扭转机翼的研究较少，还没有人能够提出一种较为可行的智能扭转机翼结构，本文力求在此方面展开突破，提出了以压电纤维复合材料作为驱动器、以负泊松比蜂窝作为气动荷载支撑结构、配以柔性蒙皮保持其气动外形的智能扭转机翼结构。椭圆翼型具有相同的前后缘曲率半径，有别于常规翼型。本文设计了一种最大相对厚度为10.74%和最大弯度为1.59%均在50%弦长处的椭圆翼型，对其进行低速气动特性分析，设定雷诺数为420000，得到其升阻力特性，对比常用翼型可知，同样的攻角下此椭圆翼型的升力系数较小、阻力系数较大。第二部分内容是智能扭转机翼骨架结构的设计，并采用8片压电纤维复合材料按照顺序分别粘贴于骨架结构中间的支撑板上，这样便得到了压电纤维复合材料智能结构，对其扭转能力进行了试验测定。得知其在1500V的最大操作电压下的最大扭转角度约为9.3°。第三部分内容则是针对负泊松比蜂窝结构展开，取其胞元进行面内变形理论分析，得到了胞元几何参数与蜂窝力学性能之间的关系。设定泊松比为-1进行蜂窝的制备，采用芳纶纸和环氧树脂作为原材料，所制作的芳纶纸-环氧树脂层合薄膜的弹性模量约为978.61MPa，拉伸强度为28.93MPa，试验得到的蜂窝泊松比为-0.9551，与设计值-1相差4.49%，并由平压试验得到其平压强度为0.424MPa，完全可以满足翼型低速气动特性压强分布的要求。最后一部分内容是将压电纤维复合材料（MFC）智能结构、负泊松比蜂窝结构以及柔性蒙皮进行集成得到智能扭转机翼。设定柔性蒙皮弹性模量很小，对于扭转机翼的扭转动作不产生阻滞效应。理想柔性蒙皮情况下可扭转机翼的最大扭转角可以达到约8.9°，增加MFC组可以实现可扭转机翼扭转角度的累加，且在远离约束端的情况下，每增加一组MFC，机翼扭转角增加约为2.2°。然后以聚乙烯（PE）膜作为柔性蒙皮制作智能扭转机翼，可扭转机翼最大扭转角度达到3.5°，PE膜可以满足一定的变形需求。

关键词：变形机翼压电纤维复合材料负泊松比蜂窝智能扭转机翼

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船用典型多孔结构隔振特性分析与试验验证

船用典型多孔结构隔振特性分析与试验验证

作者：阎旭烟台大学

学位级别：硕士

随着船舶高速化、大型化的发展,传统船舶隔振技术难以满足新形势下的船舶隔振要求。本文引入多孔结构,利用其隔振、轻质和可设计性的特性解决船舶动力设备隔振问题,突破传统船舶隔振系统体积质量过大的限制。并采用有限元计算与试验测... 详细信息

随着船舶高速化、大型化的发展,传统船舶隔振技术难以满足新形势下的船舶隔振要求。本文引入多孔结构,利用其隔振、轻质和可设计性的特性解决船舶动力设备隔振问题,突破传统船舶隔振系统体积质量过大的限制。并采用有限元计算与试验测试相结合的方式,对三种常用多孔结构的静、动力学性能进行研究,初步探索了其在船用隔振方面的应用。主要研究内容如下:本文提出了从胞元到支撑基座的船用多孔隔振结构的分步建模设计方法,简化了支撑基座的建模与分析复杂性。以胞元的强度、刚度为约束条件,以基座的振级落差为关键性能指标,进行了胞元的强度与谐响应分析,获取了胞元壁厚、角度、层数等关键结构参数范围。在某典型船用动力激振频率范围内,对正方形、六边形蜂窝和内凹蜂窝三种典型多孔结构进行数值模拟和对比分析,确定内凹蜂窝为较优方案,并完成了试验验证。针对内凹蜂窝多孔结构隔振系统,本文重点讨论了几何参数对隔振系统刚度、强度和隔振性能的影响,得到胞元壁厚和角度对隔振系统强度和振级落差的影响曲线。研究表明,胞元角度对内凹蜂窝隔振系统强度的影响较小,对隔振效果影响很大。工程中可以在保证系统强度和刚度的基础上,尽量选择θ∈[-35°,-30°]之间的胞元角度,以获得更好的隔振效果。本文搭建了两个隔振性能测试试验平台,对不同角度的多孔结构隔振系统进行某船用柱塞泵工作频率下的定频振动试验,验证了内凹蜂窝多孔结构隔振系统的有效性。研究表明,在三个特定工作频率下角度为-30°的内凹蜂窝隔振系统的隔振效果最好。本文通过对多孔结构的参数研究,有助于提高船舶动力设备整体隔振设计水平。

关键词：船舶多孔结构负泊松比蜂窝隔振有限元

基于3D打印的负泊松比结构零件机械性能研究

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基于3D打印的负泊松比结构零件机械性能研究

作者：刘翔西安理工大学

学位级别：硕士

近年来,负泊松比结构的研究及其应用是科学界的研究热点。负泊松比结构具有吸能性好、隔热性好等优点,在航空、交通以及医疗领域有广泛的应用。3D打印具有快速成型和个性化制造的优点,可实现负泊松比结构的快速制备。本文基于熔融沉积型... 详细信息

近年来,负泊松比结构的研究及其应用是科学界的研究热点。负泊松比结构具有吸能性好、隔热性好等优点,在航空、交通以及医疗领域有广泛的应用。3D打印具有快速成型和个性化制造的优点,可实现负泊松比结构的快速制备。本文基于熔融沉积型(Fused Deposition Modeling,简称FDM)的3D打印加工方式,深入研究负泊松比结构的机械性能,为负泊松比的优化、改善和推广应用提供了理论指导和途径。论文的研究内容如下:(1)负泊松比(NPR)结构的力学特性理论分析。通过建立负泊松比(NPR)结构的力学模型,对负泊松比(NPR)结构的力学特性进行分析,分析了不同结构参数(壁厚t、角度θ)对负泊松比(NPR)结构的等效弹性模量、剪切模量和泊松比的影响。(2)引入等效密度概念,研究了相同等效密度下不同种类蜂窝结构的机械性能。设计并制备了负泊松比(NPR)结构、三角形(TRI)蜂窝结构、矩形(RECT)蜂窝结构和六边形(HEX)蜂窝结构,并对上述四种结构进行力学实验。依据吸能性评价指标(总吸能W、质量比吸能SEA、体积比吸能S)对实验数据进行分析,结果表明,负泊松比(NPR)结构吸能性最佳。(3)研究了材料类型(PLA、TPU)和结构参数对3D打印负泊松比(NPR)结构机械性能的影响。设计并制备了负泊松比(NPR)结构试件,进行压缩实验。依据吸能性评价指标,对实验数据进行分析得:PLA和TPU试件的弹性模量E,实验结果与理论推导一致,验证了理论推导的正确性。随着壁厚t的增加,PLA和TPU试件的吸能性都逐渐增强。随着角度θ的增加,PLA和TPU试件的吸能性都逐渐减小。当壁厚t=3mm,角度θ=-40°时,负泊松比(NPR)结构的缓冲吸能性最佳。TPU材料吸能性优于PLA,基于3D打印可个性化制造的优势,实现了负泊松比(NPR)结构的应用。

关键词： 3D打印负泊松比蜂窝等效密度压缩实验吸能性