第43卷第2期2019年4月南京理工大学学报JournalofNanjingUniversityofScienceandTechnologyVol.43No.2Apr.2019㊀收稿日期:2018-05-11㊀㊀修回日期:2018-06-25㊀基金项目:国家科技重大专项(2018ZX04024001)ꎻ江苏省研究生科研创新计划(KYZZ16_0177)㊀作者简介:高强(1991-)ꎬ男ꎬ博士生ꎬ主要研究方向:汽车轻量化ꎬ被动安全ꎬE ̄mail:gaoqiangsir@163.comꎻ通讯作者:王良模(1963-)男ꎬ博士ꎬ教授ꎬ主要研究方向:汽车轻量化ꎬ新能源汽车ꎬE ̄mail:liangmowang_njust@163.comꎮ㊀引文格式:高强ꎬ王良模ꎬ钟弘ꎬ等.负泊松比结构的三点弯曲性能研究[J].南京理工大学学报ꎬ2019ꎬ43(2):141-146.㊀投稿网址:http://zrxuebao.njust.edu.cn负泊松比结构的三点弯曲性能研究高㊀强1ꎬ王良模1ꎬ钟㊀弘1ꎬ钱雅卉1ꎬ王晨至2(1.南京理工大学机械工程学院ꎬ江苏南京210094ꎻ2.深度工程公司ꎬ密歇根特洛伊48084ꎬ美国)摘㊀要:该文研究了内凹六边形负泊松比结构的三点弯曲力学性能ꎬ基于显式动力有限元ANSYS/LS ̄DYNA建立了该结构的有限元模型ꎬ进行了冲击试验仿真ꎬ并以单位质量吸能量(SEA)和碰撞力峰值(PCF)为评价指标ꎬ探究了胞元结构参数对其性能的影响ꎮ研究结果表明ꎬ胞元厚度增加或胞元高度降低ꎬ可使SEA与PCF同时增加ꎻSEA随着胞元宽度的增大先升高后降低ꎬ而PCF则呈相反的趋势ꎻSEA随着胞元内凹角的增大而减小ꎬ而PCF在内凹角较小及内凹角约45ʎ时较大ꎮ因此ꎬ合理选择胞元参数对提高负泊松比结构的弯曲力学性能具有重要意义ꎮ关键词:内凹六边形结构ꎻ负泊松比ꎻ三点弯曲ꎻ胞元结构中图分类号:TB332㊀㊀文章编号:1005-9830(2019)02-0141-06DOI:10.14177/j.cnki.32-1397n.2019.43.02.003ResearchofstructurewithnegativePoisson sratiounderthree ̄pointbendingGaoQiang1ꎬWangLiangmo1ꎬZhongHong1ꎬQianYahui1ꎬWangChenzhi2(1.SchoolofMechanicalEngineeringꎬNanjingUniversityofScienceandTechnologyꎬNanjing210094ꎬChinaꎻ2.InDepthEngineeringSolutionsꎬLimitedLiabilityCorporationꎬTroy48084ꎬUS)Abstract:InordertostudythecrashworthinessoftheconcavehexagonalstructurewithnegativePoisson sratiounderthree ̄pointbendingꎬtheeffectofcellularstructureparametersincludingthethicknessꎬthewidthꎬtheheightandtheinnerconcaveangleontheperformanceisfocusedusingtheexplicitdynamicfiniteelementANSYS/LS ̄DYNA.Thespecificenergyabsorption(SEA)andthepeakcrushingforce(PCF)areadoptedascrashworthinessindices.TheresultsshowthattheSEAandthePCFincreaseatthesametimewiththeincreaseofthethicknessofthecellanddecreaseofthecellheightꎻWiththeincreaseofthecellwidthꎬtheSEAincreasesfirstandthendecreasesꎬwhilethePCFpresentstheoppositetrend.TheSEAdecreaseswiththeincreaseoftheinnerconcaveangle.南京理工大学学报第43卷第2期Whentheinnerconcaveangleissmallorabout45ʎꎬthePCFishigher.Itisinportanttochooseappropriatecellularparametersforimprovingbendingperformanceofthestructure.Keywords:concavehexagonalstructureꎻnegativePoisson sratioꎻthree ̄pointbendingꎻcellularstructure㊀㊀㊀近年来ꎬ汽车安全越来越受到人们的关注ꎬ汽车保险杠是汽车碰撞中吸收能量的主要部件ꎬ国内外学者对其弯曲时的吸能特性进行了探索与研究[1]ꎮ刘伟明等[2]通过对不同填充方式的泡沫铝夹芯方管进行弯曲实验发现ꎬ夹芯方管内填充的泡沫铝需达到一定的长度ꎬ夹芯方管才能在较大的转角范围内依然保持较高的抗弯强度ꎻ谢中友[3]采用实验方法研究了3种不同管壁厚度㊁两种跨径的泡沫铝合金填充圆管的三点弯曲力学性能ꎬ得到了泡沫铝合金填充管结构承载过程中的3种变形模式ꎻChen[4]通过数值模拟和实验方法ꎬ研究了铝泡沫填充薄壁管的挤压特性ꎬ发现该泡沫填充物能够避免整体失效ꎬ从而提高承载能力ꎻShahBeyk等[5]分析各种参数对空管和泡沫填充管碰撞性能的影响ꎬ包括点焊失效㊁法兰位置㊁金属板厚度㊁胶料的存在和泡沫填充等参数ꎬ发现铝泡沫填充可以显著改变能量的吸收和变形模式的弯曲行为ꎻYin等[6]研究了两种功能性的横向梯度填充结构并进行了优化ꎬ以寻求最佳梯度指数参数ꎮSun等[9]对内凹六边形的蜂窝芯材结构的共面缓冲性能进行了深入研究ꎮ以上研究均是关于传统的薄壁管件和泡沫填充管的弯曲性能的改进与提升ꎮ张新春[7]基于显式动力有限元软件ꎬ研究了面内冲击作用下具有负泊松比效应蜂窝材料的动态冲击性能ꎻ杨德庆[8]将一种具有宏观负泊松比效应的新型蜂窝应用于舷侧防护结构ꎬ通过对负泊松比效应蜂窝胞元特殊结构构型进行设计ꎬ实现了中等弹速下的良好抗爆抗冲击性能ꎮ综上ꎬ为提高汽车碰撞安全性ꎬ本文提出一种可用于汽车保险杠的内凹六边形负泊松比结构胞元ꎬ对其进行冲击试验仿真ꎬ分析内凹六边形胞元的厚度㊁高度㊁宽度㊁内凹角等对其宏观弯曲力学性能的影响ꎮ1㊀负泊松比结构的设计在冲击载荷作用下ꎬ传统的正泊松比结构的材料从受冲击部位向四周流动ꎬ如图1(a)所示ꎮ而负泊松比结构的材料则会向冲击部位聚拢(图1(b))ꎬ使得负泊松比结构的局部密度增大㊁模量迅速提高ꎬ结构的刚度和屈服强度增大ꎬ从而能更有效抵抗冲击作用ꎮ图1㊀正、负泊松比材料在冲击荷载作用下的变形模式对比图2(a)为本文研究的内凹六边形负泊松比结构胞元ꎬ其高度H㊁宽度B和内凹角θ是3个相互独立的结构参数ꎬ与胞元厚度t共同决定结构的力学性能ꎮ此结构在垂直方向承受压缩时ꎬ斜肋会发生变形ꎬ斜肋的倾斜角度增大ꎬ从而使结构呈现负泊松比效应ꎮ图2(b)是基于内凹六边形胞元结构建立的宏观负泊松比结构ꎮ图2㊀负泊松比结构示意图2㊀有限元模型的建立为了验证负泊松比结构的弯曲力学特性ꎬ进行了冲击试验ꎮ如图3所示ꎬ负泊松比结构长度为480mmꎬ横截面为边长40mm的正方形ꎬ由两个直径为50mm的圆柱体支撑ꎬ支撑圆柱体之间的距离为400mmꎻ冲击圆柱体直径为50mmꎬ质量为128kgꎬ冲击速度v=4.4m/sꎮ241总第225期高㊀强㊀王良模㊀钟㊀弘㊀钱雅卉㊀王晨至㊀负泊松比结构的三点弯曲性能研究㊀㊀图3㊀三点弯曲示意图负泊松比结构件采用Belytschko ̄Tsay四节点薄壳单元建模ꎬ圆柱体采用八节点六面体实体单元模拟ꎬ采用不同网格尺寸进行网格灵敏度分析ꎬ薄壳单元沿厚度方向取3个积分点ꎬ尺寸为4mmꎬ六面体网格尺寸为10mmꎮ这种建模方式既能保证模型运算精确度ꎬ又能提高运算效率ꎮ负泊松比结构的材料为AA6060 ̄T4ꎬ在LS ̄DYNA中选用123#材料模型Modifiedpiecewiselinearplasticityꎬ密度ρ=2700kg/m3ꎬ杨氏模量E=68.2GPaꎬ泊松比μ=0.3ꎬ屈服应力为80MPaꎬ极限应力σy=173MPaꎬ幂指强化系数n=0.23ꎬ延伸率ε=17.4%ꎬ真实应力-应变曲线如图4所示ꎮ圆柱体的材料用MAT20模拟刚性体ꎬ在冲击过程中均不发生任何变形ꎮ图4㊀真实应力-应变曲线(AA6060 ̄T4铝合金材料)考虑到圆柱体与负泊松比结构之间的接触关系ꎬ采用接触算法 Automaticsurface ̄to ̄surfacecontact 模拟ꎬ为了防止负泊松比结构的自身穿透ꎬ利用接触算法 Automaticsingle ̄surfacecontact 模拟ꎮ以上两种接触算法的静摩擦系数与动摩擦系数均分别取0.2和0.3ꎮ3㊀弯曲力学性能分析3.1㊀弯曲力学性能指标为表征结构弯曲时的力学性能ꎬ引入结构吸收总能量EA㊁单位质量结构吸收能量SEA以及碰撞力峰值PCF等指标[5]ꎮEA是结构整个弯曲过程中吸收的能量ꎬ表征为㊀EA(d)=ʏd0F(x)dx(1)式中:d为结构中点在弯曲过程中的垂直位移ꎬ本文中取30mmꎮSEA表征为㊀SEA=EAM(2)式中:M为结构的总质量ꎮPCF是在整个弯曲过程中的最大碰撞力ꎬ表征为㊀PCF=max[F(d)](3)式中:F(d)是垂直位移为d时的碰撞力大小ꎮ3.2㊀冲击速度对负泊松比弯曲性能的影响探究不同冲击速度下负泊松比结构的变形模式及吸能特性ꎬ对于研究负泊松比结构的动态力学特性具有重要意义ꎮ由于本文研究的负泊松比结构主要用于汽车保险杠ꎬ结合实际汽车碰撞速度ꎬ研究了5~25m/s冲击速度下的负泊松比结构的力-位移响应ꎮ选择基准胞元单元模型:B=20mmꎬH=10mmꎬθ=30ʎꎬt=2mmꎮ由图5可知ꎬ不同冲击速度下的力位移变化曲线的趋势基本相同ꎬ初始碰撞时ꎬ碰撞力急剧增大至峰值ꎬ后逐渐降低并趋于稳定ꎬ说明碰撞力峰值随着冲击速度的增大而提高ꎮ图5㊀冲击速度对力-位移响应的影响为进一步探求冲击速度对负泊松比结构弯曲性能的影响ꎬ分析了不同冲击速度下的负泊松比341南京理工大学学报第43卷第2期结构SEAꎮ由图6可知ꎬ负泊松比结构的SEA随速度增加而逐渐增大ꎮ此外ꎬ冲击速度增大对结构的变形模式并没有显著影响ꎬ且其结构的负泊松比特性依然存在ꎬ结构弯曲后材料向中间流动ꎬ在之后的变形过程中ꎬ即有更多的材料参与能量吸收ꎬ从而吸收更多的能量ꎬ在汽车的保险杠应用中则表现出更好的防撞性能ꎮ图6㊀冲击速度对SEA的影响3.3㊀胞元参数的影响与分析为研究内凹六边形负泊松比结构的弯曲力学性能ꎬ选择基准胞元单元模型与第1节相同ꎮ参照图3的宏观结构以及弯曲工况进行仿真分析ꎮ仿真结构变形如图7所示ꎮ由图7可见ꎬ内凹六边形结构受压后ꎬ结构收缩提高了结构的整体强度ꎮ下面着重讨论不同的胞元参数对其弯曲力学性能的影响ꎮ图7㊀结构变形示意图3.3.1㊀胞元厚度的影响在保持基本模型宽度㊁高度和内凹角度不变的情况下ꎬ改变胞元厚度ꎬ探究其对单位质量吸能量以及对碰撞力峰值的影响ꎮ由图8(a)可知ꎬ单位质量吸能量随着厚度的增加而增加ꎬ在厚度较小时ꎬ单位质量吸能量的变化更为显著ꎬ这是由于厚度的增加增强了结构刚度ꎬ从而提高了结构的而吸能特性ꎻ图8(b)描述了碰撞力峰值随着厚度的增加也逐渐增大ꎮ由于实际应用中ꎬ碰撞力峰值不能过大ꎬ且增大厚度使结构质量增大ꎮ因此ꎬ不能单纯为了提高单位质量吸能量而过度增大结构厚度ꎬ设计合适的结构厚度对其弯曲力学性能至关重要ꎮ图8㊀胞元厚度对吸能特性的影响3.3.2㊀胞元宽度的影响胞元宽度也是影响负泊松比结构弯曲性能的重要因素ꎮ图9表明ꎬ单位质量吸能量和碰撞力峰值随胞元宽度的变化并非呈单调函数关系ꎮ图9㊀胞元宽度对吸能特性的影响当胞元宽度较小时ꎬ胞元数目增多ꎬ导致宏观结构质量的增加ꎬ而结构两端的胞元并没有发生充分的变形吸收能量ꎬ因此降低了单位质量的吸441总第225期高㊀强㊀王良模㊀钟㊀弘㊀钱雅卉㊀王晨至㊀负泊松比结构的三点弯曲性能研究㊀㊀能量ꎮ而胞元数目的增多一定程度上增大了结构强度ꎬ因此碰撞力峰值较大ꎮ由于胞元结构是内凹六边形ꎬ当胞元宽度过大时ꎬ这种结构极易发生变形ꎬ且吸能特性较差ꎮ因此ꎬ尽管整体质量下降ꎬ仍导致单位质量的吸能量降低ꎮ而当宽度上升到一定值时ꎬ碰撞力峰值对其宽度并不敏感ꎬ变化很小ꎮ3.3.3㊀胞元高度的影响胞元高度比胞元宽度对其弯曲性能的影响更为显著ꎬ如图10所示ꎮ随着胞元高度的增加ꎬ单位质量吸能量和碰撞力峰值均逐渐降低ꎬ且随着高度的增加ꎬ下降趋势变缓ꎮ这是由于高度的降低使宏观结构的层数增多ꎬ结构刚度增强ꎬ各个胞元结构变形更充分ꎬ从而吸收更多的能量ꎮ因此减小胞元高度有利于弯曲性能的改进ꎮ但胞元高度也不宜过小ꎬ否则易导致碰撞力峰值过大ꎮ图10㊀胞元高度对吸能特性的影响3.3.4㊀胞元内凹角的影响胞元内凹角决定着六边形的内凹程度以及结构的承载能力ꎮ如图11(a)所示ꎬ单位质量吸能量随着内凹角度的增大而逐渐减小ꎬ这是由于内凹角的增大ꎬ导致六边形侧边更容易发生折弯ꎬ降低了结构的承载能力和吸能特性ꎻ而内凹角对碰撞力峰值的影响更为复杂ꎬ由图11(b)所示ꎬ当内凹角较小及约45ʎ时ꎬ碰撞力峰值较大ꎮ图11㊀胞元内凹角对吸能特性的影响4㊀结论本文研究了内凹六边形负泊松比的弯曲性能ꎬ选取单位质量吸能量SEA以及碰撞力峰值PCF为弯曲性能的评判标准ꎬ分析了胞元厚度㊁宽度㊁高度及内凹角度对弯曲性能的影响ꎮ研究结果表明ꎬ胞元厚度的增加或胞元高度的降低ꎬ使得SEA与PCF同时增加ꎻSEA随着胞元宽度的增大先升高后降低ꎬ而PCF则呈相反的趋势ꎻSEA随着胞元内凹角的增大而减小ꎬ而PCF在内凹角较小及约45ʎ时较大ꎮ因此ꎬ合理地选择胞元参数对提高负泊松比结构的弯曲力学性能具有重要作用ꎮ参考文献:[1]㊀王良模ꎬ陈东益ꎬ袁刘凯ꎬ等.某专用校车顶部安全性能仿真与改进[J].南京理工大学学报ꎬ2012ꎬ36(6):1031-1035.WangLiangmoꎬChenDongyiꎬYuanLiukaiꎬetal.Simulationandimprovementofsafetyperformancesofacertainschoolbus[J].NanjingUniversityofScienceandTechnologyꎬ2012ꎬ36(6):1031-1035. 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