摘 要

手性结构是一种新型的多孔固体蜂窝结构，具有相对密度低、比强度高、重量轻、负泊松比效应与抗冲击等优点。近些年，手性结构因其具有的特殊的力学性能受到广泛关注。将多层级结构设计思想应用于手性结构设计，形成的多层级手性结构具有优越的力学性能，其可设计性强，应用前景广。本文在多层级手性结构的基础上，融入了几何构型，设计了一种多层级几何构型手征超结构，并对这种新型结构进行面内力学性能研究。得到以下主要结论：

手性结构面内变形具有三种基本模式：低速变形模式、中速变形模式与高速变形模式。低速冲击下，变形区均匀分布于整个模型，韧带先卷曲然后结点开始坍塌；高速冲击下，变形区高度集中于冲击端，韧带与节点交替坍塌，整个模型被逐层压溃；中速冲击下，结构变形同时具有低速与高速模式下的变形特征，随着速度的增大，变形区域逐渐向冲击端靠拢。在中低速冲击时，可以观察到结构变形体现出明显的负泊松比效应，然而随着速度的增加，惯性效应逐步成为影响结构变形的主要因素。此外，通过ABAQUS的数值模拟结果可以发现，随着冲击速度、相对密度与韧带数的增加，结构的平台应力与比吸能都有相应的增加。通过对多层级几何构型手征超结构的微结构进行探究，发现微结构节点半径越小，结构的吸能特性越强。同时通过对比数值结果可以发现，相对于普通手性结构，多层级手征超结构的变形与吸能特性更加平稳。

关键词：多层级手征超结构；吸能特性；负泊松比；面内变形

Abstract

Chiral structure is a novel porous solid honeycomb structure with the advantages of low relative density, high specific strength, light weight, negative poisson's ratio effect and impact resistance. In recent years, chiral structures have attracted much attention because of their special mechanical properties. The design idea of hierarchical structure is applied to the design of chiral structure. The hierarchical chiral structure has superior mechanical properties and has strong designability and wide application prospect. Based on the hierarchical chiral structure and the molecular geometry, a new hierarchical chiral structure was designed and the in-plane mechanical properties of the new structure were studied. The following main conclusions were drawn:

In-plane deformation of chiral structures has three basic modes: low speed deformation mode, medium speed deformation mode and high speed deformation mode. At low speed impact, the deformation zone is uniformly distributed in the whole model, the ligaments curl first and then the nodes begin to collapse; under high speed impact, the deformation zone is highly concentrated in the impact end, the ligaments and nodes collapse alternately, and the whole model is crushed layer by layer; under medium speed impact, the structural deformation has the deformation characteristics of low speed and high speed mode at the same time, and with the increase of speed, the deformation zone gradually approaches to the impact end. The negative Poisson's ratio effect can be observed in the medium and low velocity impact. However, with the increase of the velocity, the inertia can be observed. Inertial effect has gradually become the main factor affecting structural deformation. furthermore, ABAQUS numerical simulation results can be found,with the increase of impact velocity, relative density and ligament number, the platform stress and specific energy absorption of the structure increase accordingly. It is found that the smaller the radius of the microstructures, the stronger the energy absorption characteristics. The results show that the deformation and energy absorption of hierarchical chiral structures are more stable than that of ordinary chiral structures.

The hierarchical chiral structures can meet the development demand of science and technology, and has great research and application prospect.

Key Words：hierarchiral chiral structure；energy absorption characteristics；negative Poisson's ratio; in-plane deformation

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2负泊松比、手征结构与多级结构 2

1.3主要研究内容 3

第二章 新型多层级手征超结构的研究方法 4

2.1引言 4

2.2 多层级手征超结构几何参数介绍 4

2.3力学与吸能性能评价指标 6

2.4本章小结 7

第三章 手性结构结构的力学性能研究 8

3.1引言 8

3.2手性结构数值模拟方法 8

3.3手性结构的面内压缩力学性能 9

3.3.1速度对手性结构的影响 9

3.3.2相对密度对手性结构的影响 12

3.3.3构型对手性结构的影响 13

3.4本章小结 15

第四章 多层级手征超结构的力学性能研究 17

4.1引言 17

4.2多层级四韧带反手性结构面外压缩力学性能 17

4.3多层级六韧带手性结构面外压缩力学性能 21

4.4本章小结 24

第五章 总结与展望 25

参考文献 26

致 谢 27

第一章 绪论

1.1研究背景

含一定数量孔洞的固体叫多孔材料，是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。多孔材料在自然界中普遍存在如木材、软木、海绵和珊瑚等。千百年来，这些天然的多孔材料被人们广泛利用。在多年前的古埃及金字塔中就已经使用了木制建材，在罗马时代软木就被用作酒瓶的瓶塞^[1]。近代以来，人们开始自己制造多孔材料，简单的有结构材料，常见的大多为高分子材料。相对连续介质材料而言, 多孔材料一般具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点。相比于一般材料，多孔材料在机械性能、传播性能、光电性能、渗透性、吸附性、化学性能等方面都具有较大优势。正是由于多孔材料具有如此多的优点，人们不断地朝着此方向上研究。对于新型多孔材料来讲，探究其力学性能是最基本的。本文主要研究多层级手征超结构冲击吸能方面的力学特性。

多孔材料的分类繁多，根据多孔材料的定义，属于该类材料的种类十分丰富，可以按照结构的微观排列将其分为两大类——具有无序的微结构、但也具有统计规律的泡沫材料（Foam material），以及微结构周期有序的点阵材料（Lattice material）^[2,3]。本文主要讨论的是微结构有序的二维点阵材料，二维点阵材料指的是将多边形在二维平面上进行周期性排列，然后在第三方向进行拉伸为面板构成的棱柱的材料。也可称其为栅格材料或者结构材料。常见的二维点阵多孔蜂窝材料构型主要包括有六边形、四边形、全三角形、Kagome 形、菱形以及混合型等^[4,5]。