摘 要

本文主要研究了胞状多孔材料中的内凹三角形负泊松比结构，该结构有轻质、高隔音和高吸能的优点。借助有限元软件进行仿真实验，对其结构变形、内能、碰撞力、应力云图、位移云图进行比对分析，研究其防撞击性能。

在了解不同的内凹三角形负泊松比结构夹层结构的布置方法，选定其中四种不同的布置形式作为研究对象。利用Ansys/LS-DYNA开展不同布置形式的模型在刚性撞头冲击下的碰撞数值仿真分析，研究布置形式对于夹层结构抗撞性能的影响。发现当内凹三角形胞元呈错位翻转排列时的布置形式吸能性能最好。在对胞元呈错位翻转排列的模型进行尺寸优化时，发现在一定程度下增加胞元厚度和侧边凹角，对结构的吸能性能是有利的，胞元厚度改变和胞元角度的变化主要影响结构吸能所需时间。

最后在刚性球碰撞数值仿真实验中得知，当撞击速度相同时，从上方撞击时吸能更多；从左侧撞击结构碰撞力峰值更小。内凹三角形负泊松比夹层结构在做保护材料时，应使其冲击面为内凹三角形胞元的上方。

关键字：数值仿真；负泊松比；内凹三角形胞元；防撞性能；

Abstract

This paper mainly studies a type of cellular porous materials——the concave triangular negative Poisson's ratio structure , which has the advantages of light weight, high sound insulation and high energy absorption. With the help of finite element software, the structural deformation, internal energy, collision force, stress cloud diagram and displacement cloud diagram were compared and analyzed to study its anti-collision performance.

In understanding the different layout methods of the concave triangular negative Poisson's ratio sandwich structure, four different layout forms were selected as the research object. Ansys / LS-DYNA is used to carry out the numerical simulation analysis of the impact of the models with different layouts under the impact of rigid impact head, to study the infiuence of the layout on the impact resistance of the sandwich structure. It was found that when the concave triangular cells are arranged in a staggered and inverted arrangement, the energy absorption performance is the best. When optimizing the size of the model where the cells are arranged in a reversed position, it is found that increasing the thickness of the cell and the side concave angle to a certain extent is beneficial to the energy-absorbing. The Change of cell thickness and the change of cell angle mainly affect the time required for the structure to absorb energy.

Finally, in the numerical simulation experiment of rigid ball collision, it is known that when the impact speed is the same, the energy absorption is more when the impact is from above; the impact force peak is smaller when the impact is from the left.When the concave triangular negative Poisson's ratio sandwich structure is used as a protective material, the impact surface should be above the concave triangular cell.

Keyword: numerical simulation; negative Poisson's ratio; concave triangular cells; anti-collision performance;

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 负泊松比材料 1

1.2.2 内凹三角形夹层结构 2

1.2.3 内凹三角形负泊松比材料研究现状 3

1.2.4 小结 4

1.3 本文所做主要工作 5

第二章 不同布置形式的防撞性能比较 6

2.1 引言 6

2.2 仿真模型 6

2.2.1 材料属性 6

2.2.2 模型条件设置 6

2.2.3 有限元模型 7

2.3 仿真结果比较及分析 8

2.3.1 时间-能量曲线 9

2.3.2 撞击力-时间曲线 11

2.3.3 结构变形 13

2.3.4 应力和位移云图 14

2.4 本章小结 18

第三章 胞元的尺寸优化设计 20

3.1 引言 20

3.2 模型尺寸优化设计 20

3.2.1 胞元厚度 20

3.2.2 侧边凹角 21

3.3 仿真实验结果（胞元厚度） 21

3.3.1 结构变形 21

3.3.2 内能-时间曲线 22

3.3.3 碰撞力-时间曲线 24

3.3.4 应力云图 26

3.3.5 位移云图 31

3.4 仿真实验结果（侧边凹角） 33

3.4.1 结构变形 33

3.4.2 内能-时间曲线 34

3.4.3 碰撞力-时间曲线 35

3.4.4 应力云图 36

3.4.5 位移云图 38

3.5 本章小结 39

第四章 刚性球碰撞数值仿真分析 40

4.1 引言 40

4.2 有限元模型 40

4.2.1 材料属性 40

4.2.2 模型条件设置 41

4.3 仿真结果分析 41

4.3.1 结构变形 41

4.3.2 能量-时间曲线 42

4.3.3 碰撞力-时间曲线 44

4.3.4 应力和位移云图 45

4.4 本章小结 47

第五章 结论 48

参考文献 49

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

如图 1.1所示，2019年我国水运货物总量可达该年运输货物总量的14%。2017年交通运输部公布：我国水路运输工具拥有总量为轮驳船16.6万艘，净载吨为2.7亿吨，内河航道通航里程数达12.7万公里（统计截止2015年）。与此同时，中国每年新建约3万座桥梁，现今总数量已经达100多万座，尽管其中许多并非水上桥梁，但通航水道上的桥梁数量也不容小觑[^[1]]。水运的大力发展和桥梁的快速兴建一方面彰显了国家强大的实力和迅猛的发展，另一方面也带来了不少安全问题。

图 1.1 2019年货物运输分布图