基于增材制造的新型三維增材結(jié)構(gòu)的壓縮力學(xué)性能

來源： COMSOL 多物理場仿真技術(shù)

Auxetic Metamaterials 是一類通過人工設(shè)計內(nèi)部 Auxetic 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的具有負泊松比 （NPR） 性能的功能材料，由于其優(yōu)異的抗沖擊性、高比剛度和獨特的力學(xué)行為，在航空航天、造船等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在這項工作中，我們提出了一種基于二維 （2D） ART 的新型三維 （3D） 晶格不對稱凹角三角形 （LART） 結(jié)構(gòu) （LART），樣品是通過液晶顯示器 （LCD） 3D 打印技術(shù)制造的。通過實驗和有限元 （FE） 模擬相結(jié)合的方式，研究了 LART 在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的破碎響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，LART 具有明顯的 NPR 性能，并且可以通過改變參數(shù)來調(diào)節(jié) LART 的力學(xué)性能。此外，還使用 FE 模擬研究了壁厚和單元數(shù)量對 LART 的影響。最后，將 LART 與 2D-ART 和 3D 重入晶格結(jié)構(gòu) （3D-RE） 進行了比較，以突出設(shè)計優(yōu)勢。結(jié)果表明，LART 具有優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)的承載能力，比能量吸收 （SEA） 值分別是 2D-ART 和 3D-RE 的 17 倍和 2.34 倍。本文研究的 LART 構(gòu)型均未出現(xiàn)單側(cè)屈曲的不穩(wěn)定變形，證明了其在軟機器人和電子設(shè)備等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

本文提出了一種基于二維ART的創(chuàng)新3D自膨脹晶格結(jié)構(gòu)，并使用LCD 3D打印技術(shù)制備了樣品。通過實驗和仿真相結(jié)合的方法，研究了LART在y方向準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的變形模式和力學(xué)性能。還探討了壁厚和單元數(shù)對LART的影響，以及在未破壞變形模式下泊松比值的連續(xù)變化趨勢。最后，比較了單元數(shù)為2 × 2 × 2的LART在壓縮響應(yīng)方面與2D-ART和3D-RE的差異，確保相同的ρr，突出了新型3D結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)勢。根據(jù)實驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1.LART的應(yīng)力曲線可以分為四個階段：彈性階段、第一次平臺階段、峰值應(yīng)力階段和第二次平臺階段。由于材料本身脆性，LART在第二個平臺階段發(fā)生了嚴重的斷裂失效，表現(xiàn)出類似于突然屈曲的承載特性。在峰值應(yīng)力之前，LART的壓碎響應(yīng)可以通過理想的彈塑性材料模型很好地模擬，有助于研究結(jié)構(gòu)的連續(xù)變形模式和泊松比。

2.隨著壓縮的進行，LART從外圍向結(jié)構(gòu)中心收縮，表現(xiàn)出沙漏形狀的變形，并展現(xiàn)出優(yōu)異的自膨脹特性。當(dāng)沿y方向壓縮時，由于對稱性，LART的泊松比在x和z方向上幾乎相同。連接方式的改變使得LART的單元格不再表現(xiàn)出與原設(shè)計策略相同的變形機制，不同的鏡像方法對LART的力學(xué)性能幾乎沒有影響。

3.參數(shù)a、θ1和S通過改變單元格的非對稱配置共同影響LART的力學(xué)性能，而θ2通過改變?nèi)切蔚男D(zhuǎn)角度來調(diào)節(jié)LART的力學(xué)性能。參數(shù)對LART的影響主要體現(xiàn)在第一次平臺階段的長度和強度、EM、峰值應(yīng)力的大小以及達到峰值應(yīng)力的速度上。通過設(shè)計這些參數(shù)，LART可以具有適應(yīng)不同工程應(yīng)用場景的特性。

4.LART的力學(xué)性能對t的變化更加敏感。t的增加顯著提高了LART的承載力和能量吸收能力，但這以犧牲自膨脹性為代價。減小nx或增加ny會降低LART的EM，且增加ny也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形不均勻。增加nx和ny會減少第三階段的峰值應(yīng)力，但LART的實際加載力在較小的nx下仍然較小。減小nx/ny會導(dǎo)致更大的自膨脹性。

5.在相同ρr下，LART的承載力和能量吸收能力遠高于2D-ART和3D-RE，其中LART的SEA分別是2D-ART和3D-RE的17倍和2.34倍。LART和2D-ART的泊松比呈相同趨勢上升，相比3D-RE，LART實現(xiàn)了更大的自膨脹性。

6.本文研究的所有LART配置在變形過程中均表現(xiàn)出穩(wěn)定的形變，沒有單側(cè)屈曲，同時獲得了較大的自膨脹性，這表明該設(shè)計方法在軟機器人、可編程阻尼器和柔性電子設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。