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西南石油大學(xué)朱一林課題組:一種具有可調(diào)力學(xué)性能的新型單斜拉脹超結(jié)構(gòu)

更新時(shí)間:2022-11-01點(diǎn)擊次數(shù):966

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具有負(fù)泊松比效應(yīng)的拉脹結(jié)構(gòu)是一類功能和結(jié)構(gòu)一體化的力學(xué)超結(jié)構(gòu)。由于反常規(guī)的負(fù)泊松比效應(yīng),拉脹超結(jié)構(gòu)具有諸多獨(dú).特的力學(xué)性能和廣闊的工程應(yīng)用前景。相較于缺失支柱胞元結(jié)構(gòu),手性拉脹結(jié)構(gòu)(Chiral auxetics)可以在大應(yīng)變下保持平滑的變形,并且對(duì)制造誤差相對(duì)不敏感。缺失支柱胞元結(jié)構(gòu)(missing rib auxetics)是一類典型的手性拉脹結(jié)構(gòu),可視為由傳統(tǒng)手性拉脹結(jié)構(gòu)的中心圓環(huán)替代為中心支架而成(圖1)。

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圖1 傳統(tǒng)手性及缺失支柱拉脹結(jié)構(gòu)


 

相較于傳統(tǒng)手性拉脹結(jié)構(gòu),缺失支柱拉脹結(jié)構(gòu)在大變形范圍內(nèi)具有更穩(wěn)定的負(fù)泊松比響應(yīng),但由于中心支架缺乏有效支撐,其旋轉(zhuǎn)效應(yīng)無法得到充分發(fā)展從而拉脹性能較弱。為提高其結(jié)構(gòu)剛度并獲取可調(diào)范圍更廣的負(fù)泊松比,研究團(tuán)隊(duì)基于已有缺失支柱型結(jié)構(gòu)發(fā)展了幾種增強(qiáng)型結(jié)構(gòu),包括增強(qiáng)六手臂缺失支柱手性結(jié)構(gòu)(Enhanced Hexa-missing rib)、增強(qiáng)三手臂缺失支柱反手性結(jié)構(gòu)(Enhanced Anti-tri-missing rib)及增強(qiáng)四手臂缺失支柱反手性結(jié)構(gòu)(Enhanced Anti-tetra-missing rib)。四手臂缺失支柱手性結(jié)構(gòu)也是一種經(jīng)典的缺失支柱胞元結(jié)構(gòu),并且由于對(duì)稱性的缺失表現(xiàn)出獨(dú).特的單斜性質(zhì)(即:單軸拉伸/壓縮時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生耦合拉伸/壓縮-剪切變形,如圖2所示)。

 

 

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2 傳統(tǒng)四手臂手性拉脹結(jié)構(gòu)(a)及四手臂缺失支柱手性拉脹結(jié)構(gòu)(b)在單軸拉伸荷載下的變形圖

 

單斜特性對(duì)拉脹超結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響還鮮有報(bào)端。近期,西南石油大學(xué)朱一林副研究員團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種新型增強(qiáng)四手臂缺失支柱手性結(jié)構(gòu)(Enhanced Tetra-missing rib,圖3)。這種結(jié)構(gòu)的單胞由兩個(gè)”Z型”手臂及一個(gè)增強(qiáng)矩形框格組成,與團(tuán)隊(duì)之前發(fā)展的增強(qiáng)四手臂缺失支柱反手性結(jié)構(gòu)(圖1b)具有相同的基本單元(圖3)。

 

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圖3 四手臂增強(qiáng)缺失支柱手性(a)及反手性(b)單胞結(jié)構(gòu)

 

為了確定可調(diào)的力學(xué)性能并為實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo),研究團(tuán)隊(duì)基于卡氏定理推導(dǎo)了小變形下等效彈性常數(shù)的理論模型。由于單斜特性,推導(dǎo)等效彈性模量、泊松比和剪切模量時(shí)需要分別施加固定端部拉伸(fix-end uniaxial tension)荷載及固定拉伸的剪切(fix-tension shear)荷載。

 

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圖4 固定端部拉伸(a)及固定拉伸剪切(b)示意圖

 

通過調(diào)控結(jié)構(gòu)的幾何形狀,即可獲取大范圍可調(diào)的力學(xué)性能(圖5)。研究團(tuán)隊(duì)開展了系統(tǒng)的有限元計(jì)算(施加了周期性邊界條件的單胞層面)。有限元計(jì)算結(jié)果與理論結(jié)果吻合度很高(圖6),驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性。

 

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5 等效泊松比(a),彈性模量(b)及剪切模量(c)云圖

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圖6 理論及有限元分析等效彈性常數(shù)

 

增強(qiáng)四手臂缺失支柱手性和反手性拉脹結(jié)構(gòu)具有相同的基本單元,因此,研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比了相同幾何參數(shù)下兩種結(jié)構(gòu)的等效彈性模量和剪切模量(圖7)。結(jié)果表明,單斜特性可顯著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度,最高可達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。該研究成果為如何在不犧牲拉脹性能的同時(shí)提高拉脹結(jié)構(gòu)的剛度提供了新的思路,具有重要的意義。

 


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7 增強(qiáng)四手臂缺失支柱手性及反手性胞元結(jié)構(gòu)等效彈性模量及剪切模量對(duì)比

 

此外,研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過結(jié)構(gòu)層面的實(shí)驗(yàn)和有限元計(jì)算驗(yàn)證了理論公式的正確性。實(shí)驗(yàn)基體材料為HTL光敏樹脂(彈性模量和屈服應(yīng)力分別為0.6GPa和14MPa),試樣利用微尺度3D打印機(jī)(nanoArch P150,摩方精密)制備,最薄處截面尺寸為0.15mm×1.0mm。結(jié)構(gòu)層面的實(shí)驗(yàn)和有限元分析變形圖吻合度很高(圖8),并且彈性常數(shù)的理論結(jié)果與單胞層面的有限元分析結(jié)果、結(jié)構(gòu)層面的有限元分析結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均吻合的很好(圖9),進(jìn)一步驗(yàn)證了理論公式的有效性。

 

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圖8 實(shí)驗(yàn)及有限元分析變形圖

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圖9 理論、實(shí)驗(yàn)及有限元分析等效彈性常數(shù)

 

該研究成果以“A novel monoclinic auxetic metamaterial with tunable mechanical properties”為題發(fā)表在國際期刊《International Journal of Mechanical Sciences》上。西南石油大學(xué)土木工程學(xué)院朱一林副研究員為第一及通訊作者;歐洲科學(xué)院院士、德國錫根大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系張傳增教授為論文共同通訊作者;課題組碩士研究生江松輝、張祺,中國工程物理研究院總體工程研究所李建助理研究員,西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院于超教授為論文合作作者。該研究受到了國家自然科學(xué)基金、四川省科技廳國際合作項(xiàng)目、成都市科技局國際合作項(xiàng)目及國家留學(xué)基金的支持。