復(fù)合拉脹結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及增強(qiáng)拉脹機(jī)理研究

供稿人：關(guān)志強(qiáng)、連芩 供稿單位： 西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)　

與傳統(tǒng)材料不同，拉脹結(jié)構(gòu)（也叫超材料）具有負(fù)泊松比的獨(dú)特性質(zhì)，當(dāng)給結(jié)構(gòu)施加一個(gè)垂直壓縮（拉伸）載荷時(shí)，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(qiáng)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(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)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(xué)性能是一個(gè)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?yàn)檎{(diào)整機(jī)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(dú)立的改變，當(dāng)一種結(jié)構(gòu)改變以調(diào)整機(jī)械性能的時(shí)候，另一個(gè)結(jié)構(gòu)也經(jīng)常要做出適應(yīng)性改變，這增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和不確定性。

山東科技大學(xué)的王清團(tuán)隊(duì)以增強(qiáng)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(fù)合拉脹結(jié)構(gòu)（CASwFD），如圖1所示，可以實(shí)現(xiàn)拉脹結(jié)構(gòu)與嵌入結(jié)構(gòu)的獨(dú)立變形。

圖1. A）菱形網(wǎng)格嵌入增強(qiáng)版的蜂窩結(jié)構(gòu).B）具有柔性變形的復(fù)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(lán)色）保持不變（CASwFD-1）.D)拉脹結(jié)構(gòu)可以改變（水平桿的長(zhǎng)度改變，傾斜桿的長(zhǎng)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(zhǎng)度保持不變，傾斜桿的長(zhǎng)度改變）而嵌入結(jié)構(gòu)保持不變（CASwFD-3）

作者還通過(guò)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(duì)整體結(jié)構(gòu)泊松比、相對(duì)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(duì)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(guò)合理設(shè)計(jì)兩個(gè)分結(jié)構(gòu)，可以使整體結(jié)構(gòu)的材料利用率達(dá)到最佳。通過(guò)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(jī)械性能。該結(jié)構(gòu)有望為復(fù)合拉脹結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一種新的途徑。

參考文獻(xiàn)：
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