復合拉脹結(jié)構(gòu)的力學性能及增強拉脹機理研究

供稿人：關志強、連芩 供稿單位： 西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗　

與傳統(tǒng)材料不同，拉脹結(jié)構(gòu)（也叫超材料）具有負泊松比的獨特性質(zhì)，當給結(jié)構(gòu)施加一個垂直壓縮（拉伸）載荷時，其在橫向是收縮（膨脹）的。這種結(jié)構(gòu)由于其具有很多良好的性能，如可以增強結(jié)構(gòu)的抗屈曲性、剪切模量、斷裂韌性和能量吸收能力而在許多領域中都有著廣泛的應用。將拉脹結(jié)構(gòu)與其他材料或結(jié)構(gòu)（嵌入結(jié)構(gòu)）相結(jié)合以提高力學性能是一個重要的研究課題。為了將兩者完整的結(jié)合在一起，常在嵌入結(jié)構(gòu)與拉脹結(jié)構(gòu)之間施加足夠的約束。又因為調(diào)整機械性能通常需要改變結(jié)構(gòu)的形狀。然而，由于存在太多的約束，嵌入結(jié)構(gòu)或拉脹結(jié)構(gòu)的形狀不能獨立的改變，當一種結(jié)構(gòu)改變以調(diào)整機械性能的時候，另一個結(jié)構(gòu)也經(jīng)常要做出適應性改變，這增加了設計的復雜性和不確定性。

山東科技大學的王清團隊以增強版的蜂窩結(jié)構(gòu)（拉脹結(jié)構(gòu)的一種）作為拉脹結(jié)構(gòu)，以菱形結(jié)構(gòu)作為嵌入結(jié)構(gòu)，減少了兩者之間的約束數(shù)量，提出柔性變形復合拉脹結(jié)構(gòu)（CASwFD），如圖1所示，可以實現(xiàn)拉脹結(jié)構(gòu)與嵌入結(jié)構(gòu)的獨立變形。

圖1. A）菱形網(wǎng)格嵌入增強版的蜂窩結(jié)構(gòu).B）具有柔性變形的復合拉脹結(jié)構(gòu).C）嵌入結(jié)構(gòu)（紅色）可以改變而拉脹結(jié)構(gòu)（藍色）保持不變（CASwFD-1）.D)拉脹結(jié)構(gòu)可以改變（水平桿的長度改變，傾斜桿的長度保持不變）而嵌入結(jié)構(gòu)保持不變（CASwFD-2）.E) 拉脹結(jié)構(gòu)可以改變（水平桿的長度保持不變，傾斜桿的長度改變）而嵌入結(jié)構(gòu)保持不變（CASwFD-3）

作者還通過理論和數(shù)值分析，研究了嵌入結(jié)構(gòu)和拉脹結(jié)構(gòu)的變化對整體結(jié)構(gòu)泊松比、相對楊氏模量和能量吸收的影響。研究發(fā)現(xiàn)，嵌入結(jié)構(gòu)主要影響整體結(jié)構(gòu)的泊松比和相對楊氏模量，拉脹結(jié)構(gòu)影響整體結(jié)構(gòu)的能量吸收。通過合理設計兩個分結(jié)構(gòu)，可以使整體結(jié)構(gòu)的材料利用率達到最佳。通過改變拉脹結(jié)構(gòu)，可以在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)整體結(jié)構(gòu)的機械性能。該結(jié)構(gòu)有望為復合拉脹結(jié)構(gòu)的設計提供一種新的途徑。

參考文獻：
Qing Wang et al, Study of mechanical properties and enhancing auxetic mechanism of composite auxetic structures[J]. Engineering Report(2021). DOI: 10.1002/eng2.12436