仿槍蝦蝦螯縱向混合負泊松比結(jié)構(gòu)設(shè)計與耐撞性研究

楊 欣,王瑞祥,2,許述財,秦豪毅,2,宋家鋒,4,5

(1.河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院和長城汽車學院, 河北 保定 071001;2.清華大學蘇州汽車研究院(相城), 江蘇 蘇州 215134;3.清華大學 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室, 北京 100084;4.吉林大學 工程仿生教育部重點實驗室, 長春 130022;5.運輸車輛檢測、診斷與維修技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室, 濟南 250357)

0 引言

隨著汽車數(shù)量的增多,人們對汽車安全的要求越來越嚴格。在被動安全領(lǐng)域中,研究者不斷探究新型吸能結(jié)構(gòu)如薄壁管、夾層板、負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)等來吸收碰撞沖擊能量,保護人員安全[1]。負泊松比結(jié)構(gòu)具有高比剛度/強度和優(yōu)良的抗沖擊性能,在航空航天、機械工程、軍工等領(lǐng)域應(yīng)用較廣[2]。至今為止,國內(nèi)外學者已對負泊松比結(jié)構(gòu)做了大量的研究。

國外研究負泊松比結(jié)構(gòu)較早,在1987年,科學家Lakes等[3]在實驗室中人工合成了第一個負泊松比材料。自此,負泊松比結(jié)構(gòu)和材料被廣泛熟知與研究。Gibson等[4]最早設(shè)計出內(nèi)凹六邊形的負泊松比結(jié)構(gòu),確定了負泊松比結(jié)構(gòu)最低的內(nèi)凹角度。后續(xù)的研究中相繼提出了星形胞元結(jié)構(gòu)、雙箭頭胞元結(jié)構(gòu)和正弦曲邊胞元結(jié)構(gòu)等。例如Grima等[5]在2005年評估了一種由不同旋轉(zhuǎn)對稱的星形單元組成的二維周期結(jié)構(gòu)的拉脹行為,最終認定此結(jié)構(gòu)具有負泊松比效應(yīng)。Larsen等[6]設(shè)計出雙箭頭結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了材料結(jié)構(gòu)和柔性機制的自動設(shè)計。Dolla等[7]在研究心血管支架球囊血管成形術(shù)時,設(shè)計了一種獨特的外延負泊松比支架結(jié)構(gòu),是首例正弦曲線負泊松比結(jié)構(gòu)。國內(nèi)對負泊松比結(jié)構(gòu)的研究晚于國外,沈建邦等[8]設(shè)計了一種具有負泊松比效應(yīng)的可變弧角曲邊內(nèi)凹蜂窩。虞科炯等[9]設(shè)計了一種具有正弦函數(shù)曲線構(gòu)型的負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu),并研究了沖擊速度和微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)變形和吸能的影響。尤澤華等[10]設(shè)計了變弧邊內(nèi)凹多胞蜂窩負泊松比結(jié)構(gòu),并對其面內(nèi)動力學性能、能量吸收特性和平臺力進行討論,結(jié)果顯示,結(jié)構(gòu)的能量吸收與平臺應(yīng)力受單胞角度與沖擊速度的影響。王振等[11]基于旋轉(zhuǎn)剛體結(jié)構(gòu)與內(nèi)凹多邊形結(jié)構(gòu)的變形原理,通過旋轉(zhuǎn)常規(guī)的內(nèi)凹多邊形,得到了一種旋轉(zhuǎn)內(nèi)凹六邊形的負泊松比結(jié)構(gòu),提升了負泊松比結(jié)構(gòu)的力學性能。此外,還有圓弧曲邊六邊形結(jié)構(gòu)[12]、新十字負泊松比結(jié)構(gòu)[13]、厚度梯度[14]等新型負泊松比結(jié)構(gòu)。

近年來,工程仿生學成為研究熱點,在汽車被動安全領(lǐng)域中,仿生結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升了吸能效果。受空竹啟發(fā),劉海濤等[15]提出一種空竹型負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)的內(nèi)凹六邊形相比,空竹型蜂窩結(jié)構(gòu)具有更高的平臺應(yīng)力和比吸能。任毅如等[16]仿照椰子樹同心結(jié)構(gòu),設(shè)計了負泊松比梯度同心拉脹內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu),梯度同心結(jié)構(gòu)同樣擁有更高的比吸能和平臺應(yīng)力。還有仿蝴蝶翅膀[17]、仿蛛網(wǎng)同心[18]等仿生負泊松比結(jié)構(gòu)。

綜上所述,仿生負泊松比結(jié)構(gòu)擁有優(yōu)良的耐撞性能,但現(xiàn)有負泊松比結(jié)構(gòu)胞元單一,混合胞元負泊松比結(jié)構(gòu)研究較少。受槍蝦捕食特點及蝦螯微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)設(shè)計混合胞元仿生負泊松比結(jié)構(gòu)[19],分析其耐撞性吸能指標,并選取最優(yōu)混合結(jié)構(gòu)。

1 仿生原型分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 仿生原型分析

槍蝦學名Alpheus heterochaelis,因其蝦螯可發(fā)出沖擊波擊暈獵物而得名,成年槍蝦最大體長可至8～10 cm,生活在熱帶海洋中。蝦螯一大一小,大的用以捕食,小的用來進食[20]。槍蝦在捕獵時,大螯外側(cè)螯爪迅速閉合,圓柱形凸起迅速插入定螯空穴之中,擠出的水柱以大約30 m/s的速度沖擊周圍海水及螯壁形成氣泡,在極短的時間內(nèi)(600 μs)破裂,發(fā)出巨大的爆炸聲和沖擊波[21-22],槍蝦以此方式擊暈獵物獲取食物,但自身并不會受到傷害。用掃描式電子顯微鏡觀察蝦螯內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。觀察其動螯斷面結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),從內(nèi)到外分3層結(jié)構(gòu),分別為密實化結(jié)構(gòu)、大孔隙率結(jié)構(gòu)和縱向小孔隙率結(jié)構(gòu)。而且各層微觀結(jié)構(gòu)與數(shù)學幾何中的圓弧曲線、正弦曲線極為相似。受此啟發(fā),在負泊松比吸能結(jié)構(gòu)的研究中設(shè)計相應(yīng)仿生結(jié)構(gòu),并進行混合,研究其吸能性和平臺應(yīng)力。工程仿生設(shè)計中,常常以結(jié)構(gòu)、載荷和功能這3個方面來評價生物原型與所設(shè)計工程結(jié)構(gòu)的相似程度,相似程度越高表明仿生設(shè)計越有效。

圖1 槍蝦生物微觀結(jié)構(gòu)示意圖

1) 結(jié)構(gòu)相似性:負泊松比結(jié)構(gòu)可看成單胞陣列,整個芯體作為主要緩沖吸能結(jié)構(gòu),吸收沖擊能量。槍蝦大螯同樣是內(nèi)部生物組織作為緩沖結(jié)構(gòu),吸收能量。蝦螯的結(jié)構(gòu)與負泊松比結(jié)構(gòu)在設(shè)計的思路上頗為相似。

2) 載荷相似性:負泊松比結(jié)構(gòu)在應(yīng)用的過程中,實際上會受到來自不同方向的力,最理想的狀態(tài)是受到垂直于頂端的力,通過最上層的胞元結(jié)構(gòu)層層傳遞至下層。槍蝦大螯受到?jīng)_擊時,各個方向的力作用在最內(nèi)層曲面上,可將其簡化為極小平面受力,垂直或者成一定的角度,一層受力后向下一層傳遞。

3) 功能相似性:槍蝦的大螯和負泊松比結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊力的作用時,槍蝦的大螯通過接觸層向內(nèi)部傳遞,通過每層不同結(jié)構(gòu)生物組織規(guī)則或者不規(guī)則的變形吸收能量,從而保護自身不受傷害。負泊松比結(jié)構(gòu)通過自身的彈塑性變形吸收能量,從而起到吸能防護的作用。

1.2 仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計

對槍蝦動螯與定螯進行生物研究,蝦螯用液態(tài)氮迅速冷凍后,在斷面處,利用掃描式電子顯微鏡觀察斷面內(nèi)部結(jié)構(gòu)。繼續(xù)放大發(fā)現(xiàn)各層結(jié)構(gòu)均有相似的幾何形狀,最外層輪廓呈現(xiàn)類似對稱圓弧,中間一層可見明顯的層級結(jié)構(gòu)且中部彎曲與正弦曲線相似,最內(nèi)層橫向排列,觀察發(fā)現(xiàn)可視為若干個4邊圓弧組成的單元,且相鄰圓弧尺寸不同,相對圓弧尺寸基本一致。由此設(shè)計以具有的相同尺寸與角度的內(nèi)凹六邊形負泊松比蜂窩A、正弦曲邊負泊松比蜂窩B、圓弧曲邊負泊松比蜂窩C、四弧邊曲邊負泊松比蜂窩D作為基礎(chǔ)胞元,為方便后續(xù)研究,以大寫字母代替命名,如圖2所示。圖2中各胞元上邊長L1=L2=L3=L4=L=20 mm,側(cè)邊l1=l2=l3=l4=l=20 mm,厚度t1=t2=t3=t4=t=1 mm,為保證所設(shè)計的模型為負泊松比結(jié)構(gòu),以圖中a值(側(cè)邊內(nèi)凹深度)保證內(nèi)凹蜂窩胞元角度不得低于120°。經(jīng)過計算,其最小值為,a1=a2=a3=a4=a=5.8 mm。因各結(jié)構(gòu)尺寸相同,以下用a、l、L、t分別代表內(nèi)凹深度、側(cè)邊長、上邊長和厚度。

圖2 4種負泊松比單胞結(jié)構(gòu)

結(jié)合槍蝦蝦螯微觀結(jié)構(gòu)與層級混合思想,將4種胞元結(jié)構(gòu)縱向混合成為整體結(jié)構(gòu),胞元設(shè)計為雙層形式,橫向11個胞元,縱向8個胞元,分4組,每組胞元結(jié)構(gòu)各不相同。與基礎(chǔ)胞元結(jié)構(gòu)相同的層用相同字母表示,如圖3所示,混合結(jié)構(gòu)命名為ABCD。原結(jié)構(gòu)為AAAA改變圖中結(jié)構(gòu)順序,在橫向上加筋板,板長L/2。根據(jù)排列組合原理設(shè)計出ABDC、ACBD、…、DCBA等24種不同順序的負泊松比結(jié)構(gòu)。

圖3 混合結(jié)構(gòu)ABCD與原結(jié)構(gòu)AAAA

2 有限元模型的建立與驗證

2.1 有限元模型建立

根據(jù)美國保險公司的數(shù)據(jù),低速碰撞(速度在16 km/h以下)是發(fā)生最多的事故[23]。在中國城市交通中,由于車流量大,車道較窄,發(fā)生碰撞事故時速度更低[24](文中選取v=2 m/s)。應(yīng)用有限元建模與求解軟件進行仿真分析,根據(jù)低速沖擊工況與前人研究成果設(shè)置有限元模型,如圖4所示。模型主要由沖擊端、約束端、中間芯體結(jié)構(gòu)組成,沖擊端賦予向下的恒定速度v=2 mm/ms,并約束除Y方向以外的速度方向,下面板全約束處理。在沖擊端、約束端與芯體接觸處設(shè)置SURFACE TO SURFACE自動接觸,設(shè)置芯體SINGLE SURFACE自動接觸,動摩擦為0.2,靜摩擦為0.3,真實的工況中沖擊端與約束端板面變形較小可忽略不計,兩端設(shè)置為剛體,材料設(shè)置為MAT20。芯體結(jié)構(gòu)使用Belytschko-Tsay殼單元,節(jié)點數(shù)目為4,積分點數(shù)目為5,材料設(shè)置為MAT24。本研究中負泊松比結(jié)構(gòu)的材料為AA6061-T6鋁合金,密度2.73×103kg/m3,泊松比為0.33,彈性模量為68.2 GPa,屈服強度取252 MPa;上下面板密度2.78×103kg/m3,泊松比為0.3,彈性模量為210 GPa[25]。

圖4 有限模型示意圖

2.2 耐撞性評價指標

碰撞防護中,常用比吸能SEA(specific energy absorption)、初始峰值載荷IPF(initial peak force)、平均壓潰效率CFE(crushing force efficiency)作為主要的吸能防護指標[26-27]。負泊松比結(jié)構(gòu)屬于多孔蜂窩結(jié)構(gòu),相對密度與平臺平均應(yīng)力[28](mean stress of platform)也會被眾多研究者選擇評價。SEA不受結(jié)構(gòu)尺寸的限制,僅與結(jié)構(gòu)質(zhì)量和吸能有關(guān),表示單位質(zhì)量條件下能量吸收的能力,單位 kJ/kg,公式如下:

(1)

式中:EA表示結(jié)構(gòu)變形過程中吸收的全部能量,kJ;m表示結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,kg;EA計算方法如下:

(2)

式中:f(x)是結(jié)構(gòu)變形過程中所受載荷隨著位移變化的函數(shù);a和b分別為積分計算的初始位置與結(jié)束位置。

平均壓潰率效率是衡量防護結(jié)構(gòu)吸能穩(wěn)定性的指標,如下:

(4)

式中,Fp是所選區(qū)域內(nèi)的平均載荷,kN。

初始峰值載荷IPF(initial peak force)是在選定的計算區(qū)域內(nèi)第一個載荷峰值點,通常情況下要求吸能結(jié)構(gòu)擁有較小的IPF、較大的SEA與CFE。

多孔材料的相對密度公式:

(5)

式中:ρ*為負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)的表觀密度;ρs為負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)基體材料的密度;N為結(jié)構(gòu)曲線的數(shù)量;di、ti分別為第i根曲線的長度和厚度;H、h分別為整體蜂窩的長度和寬度。

平臺應(yīng)力作為負泊松比結(jié)構(gòu)的另一個評價指標。

名義應(yīng)力計算公式:

σ=F/S

(6)

式中:S表示結(jié)構(gòu)與剛體之間的接觸面積,即面外厚度與水平長度的乘積;F表示剛體與蜂窩結(jié)構(gòu)之間的接觸力。

蜂窩結(jié)構(gòu)的平臺應(yīng)力表示為:

(7)

式中:ε0為初始峰值載荷時的名義應(yīng)變;εd表示鎖定應(yīng)變,為再次達到與峰值載荷相同應(yīng)力的應(yīng)變。

2.3 有限元模型的驗證

在可以保證實驗精度和準確性的前提下,縮小樣件的尺寸進行驗證[29-30]。采用5層結(jié)構(gòu),Inventor軟件建立模型,通過線切割方式制作,又因為所選材料應(yīng)變效應(yīng)不明顯,實驗時用恒定速度10 mm/min進行準靜態(tài)壓縮仿真試驗,使用電子萬能試驗設(shè)備,現(xiàn)場試驗與仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 樣件驗證試驗及載荷變化曲線

由圖5可知,試驗和仿真的曲線趨勢極為相似,并且仿真的峰值點和實驗的峰值點能夠清晰地捕捉對應(yīng),上述評價指標的誤差如表1所示。其中最大的誤差項是質(zhì)量m,為6.67%,小于10%,這是工程試驗所能接受的,由此說明建立的有限元模型是可信的。

表1 實驗誤差分析

3 仿真分析

3.1 數(shù)據(jù)指標分析

4種各組擁有相同胞元的負泊松比結(jié)構(gòu)耐撞性評價指標計算如表2所示(壓縮率65%),平臺應(yīng)力計算如表3所示。

表2 4種相同胞元結(jié)構(gòu)耐撞性指標

表3 4種相同胞元結(jié)構(gòu)平臺應(yīng)力

從表2可以看出:AAAA蜂窩結(jié)構(gòu)擁有較低的SEA和IPF,但是具有最大的CFE,為59.26%;DDDD蜂窩結(jié)構(gòu)擁有最高的SEA和IPF;CCCC蜂窩結(jié)構(gòu)IPF與CFE最小;DDDD蜂窩結(jié)構(gòu)指標均在其他3種之間。在平臺應(yīng)力相關(guān)指標中,結(jié)構(gòu)相對密度按照表3從上到下順序呈現(xiàn)上升趨勢,名義應(yīng)變均在0.2～0.3之間,鎖定應(yīng)變基本在0.6以下,這說明設(shè)計的蜂窩結(jié)構(gòu)由于自身的結(jié)構(gòu)特點吸能階段較短,進入密實化階段較快。平臺應(yīng)力與相對密度具有相同的趨勢,均隨著結(jié)構(gòu)的改變有所提高。在實際的吸能防護結(jié)構(gòu)中,按照耐撞性的要求,最為理想的結(jié)構(gòu)需具有較大的SEA和CFE,較小的IPF。

本研究融合仿生思想將4種結(jié)構(gòu)進行混合搭配。設(shè)計了24種混合結(jié)構(gòu)進行仿真分析(結(jié)構(gòu)設(shè)計在1.2節(jié))其結(jié)果如表4所示。由表可知,與上述4種相同胞元蜂窩結(jié)構(gòu)相比,混合結(jié)構(gòu)各數(shù)據(jù)指標均有所變化,首先,混合結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分為0.37 kg與0.38 kg兩種,出現(xiàn)2種質(zhì)量是因為胞元D在混合結(jié)構(gòu)的位置不同引起的,當胞元D在結(jié)構(gòu)縱向內(nèi)側(cè)時,縱向相鄰圓弧邊與直線邊都會被保留,此時質(zhì)量增加。耐撞性指標中IPF最小值為9.66 kN,相比最低值降低了3.71%,比最高值降低了27.13%;SEA最高值為3.00 kJ/kg,與上述最低值相比升高了19.85%,與最高值相比降低了5.66%,平臺應(yīng)力雖然也有變化,但從表格可以看出,各結(jié)構(gòu)的平臺應(yīng)力相差較小,除去誤差與精度的影響,混合結(jié)構(gòu)對平臺應(yīng)力的影響不大。其他數(shù)據(jù)指標均有范圍變化,這就說明結(jié)構(gòu)的混合設(shè)計確能影響結(jié)構(gòu)吸能性能。

表4 混合結(jié)構(gòu)耐撞性指標

3.2 變形分析

結(jié)構(gòu)整體的變形模式與文獻中相似,重點在于混合結(jié)構(gòu)的變形吸能。混合結(jié)構(gòu)共有24種,選取胞元模型AAAA和DDDD以及擁有SEA值最大的BCDA、CFE值最大的BDAC、IPF值最小的ADCB 3種混合蜂窩結(jié)構(gòu)模型分析其變形過程。圖6為各結(jié)構(gòu)沖擊位移在0、20、40、80、104 mm處的變形。

圖6 AAAA、DDDD、BCDA、BDAC、ADCB(上至下順序)仿真變形圖

從圖6可以看出,AAAA型結(jié)構(gòu)在壓縮20 mm處出現(xiàn)“X”形變形,隨著沖擊板繼續(xù)下壓,結(jié)構(gòu)變?yōu)椴ɡ藸?大變形區(qū)域集中在一側(cè),DDDD型結(jié)構(gòu)變形不明顯,在沖擊端壓潰后整體向左側(cè)偏移,隨著壓縮繼續(xù)進行,在壓縮量80 mm處出現(xiàn)3條“>”狀壓實區(qū)域,逐漸密實化。3種混合模型的變形過程均經(jīng)歷“V”型與“X”型,只有BCDA結(jié)構(gòu)出現(xiàn)波浪狀,并且3種結(jié)構(gòu)都是從BBBB結(jié)構(gòu)與CCCC結(jié)構(gòu)的交界處開始變形,后轉(zhuǎn)入AAAA結(jié)構(gòu)處,最后是DDDD結(jié)構(gòu)。BCDA型結(jié)構(gòu)變形整體與DDDD結(jié)構(gòu)相似,出現(xiàn)3條“>”最終壓實。BDAC與ADCB結(jié)構(gòu)變形與上述其他結(jié)構(gòu)不同,這2種結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)向一側(cè)偏移的情況,在x=80 mm處出現(xiàn)上下2個變形密集區(qū),中間胞元D層隔開。綜上,胞元B與胞元C受到?jīng)_擊時峰值載荷較低,承受壓潰能力較弱,而胞元D擁有較大的抗沖擊能力而不易變形;在受到?jīng)_擊力作用時混合結(jié)構(gòu)相對于單一胞元結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有積極的作用。混合結(jié)構(gòu)的平臺應(yīng)力均在15 GPa左右,并沒有較大的范圍變化。經(jīng)過仿真分析,改變結(jié)構(gòu)順序并不會對平臺應(yīng)力有較大影響。

4 最優(yōu)結(jié)構(gòu)選擇

考慮到耐撞性指標的不唯一,并且各個指標均有劣勢區(qū)和優(yōu)勢區(qū),SEA、IPF、CFE的最優(yōu)指標并不會集中在一個結(jié)構(gòu)上;又因為4種結(jié)構(gòu)中正弦結(jié)構(gòu)沒有內(nèi)凹角度,選取內(nèi)凹深度a(1.2節(jié)a1、a2、a3、a4)作為優(yōu)化的參數(shù),用3個指標的加權(quán)組合來綜合評價結(jié)構(gòu)耐撞性,選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)[31]。

在24種混合結(jié)構(gòu)中,為保障優(yōu)化的精度,選取每個耐撞性指標的3個最高值模型作為優(yōu)化模型,共9種。本研究中負泊松比結(jié)構(gòu)最低值為a=5.8 mm,以0.5 mm為步長設(shè)置6.3、6.8、7.3 mm 4個參數(shù),繼續(xù)取值會影響實物制作。對所增加的27種模型進行仿真分析,如圖7所示。

圖7 9種結(jié)構(gòu)仿真圖

從圖7可以看出,在所選區(qū)間內(nèi)a值越大,所設(shè)計的混合結(jié)構(gòu)的IPF越低,且各結(jié)構(gòu)數(shù)值均下降,整體呈單調(diào)趨勢;SEA值在各結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)復雜,部分結(jié)構(gòu)隨著a值增加,SEA值也隨之增加,但是也有部分結(jié)構(gòu)SEA值會降低;CFE值在a值增加后,少部分結(jié)構(gòu)會隨之增加,而絕大部分均呈現(xiàn)下降趨勢。采用加權(quán)組合綜合選取最優(yōu)結(jié)構(gòu),公式如下:

(8)

式中:β1+β2+β3=1。在實際防護作用中,結(jié)構(gòu)的SEA是主要指標,IPF和CFE是重要指標。因此,設(shè)置β1=0.4,β2=0.3,β3=0.3作為3個評價指標的權(quán)重因子[32]。SEA、IPF、CFE三個指標的單位不同,進行歸一化處理,圖8為各結(jié)構(gòu)在不同a值下的權(quán)重值。

圖8 不同a值各結(jié)構(gòu)的權(quán)重值

由圖8可知,BCDA權(quán)重值只在a=6.3 mm處低于ACDB和ADBC結(jié)構(gòu),并且在a=6.8 mm時權(quán)重值最大,為0.41。綜上所述,選擇a=6.8 mm時的BCDA結(jié)構(gòu)作為最優(yōu)結(jié)構(gòu),優(yōu)化后SEA=3.21 kJ/kg,IPF=8.58 kN,CFE=31.29%。建立以0.2 mm步長,壁厚為0.6～1.8 mm的BCDA模型,仿真結(jié)果顯示壁厚t與耐撞性指標正相關(guān),因此,尺寸不進行優(yōu)化。

5 結(jié)論

1) 通過研究槍蝦生活習性與槍蝦捕食特點,選取蝦螯作為仿生原型,以掃描式電子顯微鏡提取內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu),設(shè)計了24種仿生縱向混合負泊松比結(jié)構(gòu),研究其耐撞性能。

2) 以SEA、IPF、CFE作為評價指標,使用經(jīng)過驗證的有限元模型對結(jié)構(gòu)進行低速沖擊仿真模擬,基礎(chǔ)胞元結(jié)構(gòu)中,3個指標最優(yōu)結(jié)果各自分散,沒有集中在同一結(jié)構(gòu)。混合結(jié)構(gòu)中,耐撞性能優(yōu)劣也各不相同,變形穩(wěn)定性強于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

3) 選取9種高指標結(jié)構(gòu),以內(nèi)凹深度a作為參數(shù)進行優(yōu)化,選擇內(nèi)凹深度a=5.8、6.3、6.8、7.3 mm作為設(shè)計變量進行仿真分析,采用加權(quán)組合綜合評價各結(jié)構(gòu)耐撞性,結(jié)果顯示混合結(jié)構(gòu)BCDA在a=6.8 mm時為最優(yōu)結(jié)構(gòu),此時SEA=3.21 kJ/kg,IPF=8.58 kN,CFE=31.29%。