[發明專利]一種三維抗沖擊負泊松比結構的設計方法

有效

• 申請號: 202011159250.1
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112149260B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 孫雅洲;史小全;劉宏瑞;劉海濤;白臨奇
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/27;G06F111/06;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

一種三維抗沖擊負泊松比結構的設計方法，屬于負泊松比材料技術領域，具體包括以下步驟：步驟1：建立幾何模型，提取結構參數；步驟2：推導相對密度、等效模量、泊松比、失效應力與結構參數的關系；步驟3：對模型進行壓縮和沖擊仿真，確定各結構參數的取值范圍；步驟4：對結構參數進行處理，獲得對吸能性能影響較大的結構參數；步驟5：利用多目標優化方法對結構參數進行優化；步驟6：計算初始峰應力和比吸能，若不符合要求則再次進入步驟5迭代循環，當達到要求，結束循環；步驟7：取優化后的結構參數構建模型，得到三維抗沖擊負泊松比結構。通過本發明能夠使獲得的結構初始峰應力更低，比吸能更高。

技術領域

本發明屬于負泊松比材料技術領域，具體涉及一種三維抗沖擊負泊松比結構的設計方法。

背景技術

負泊松比材料或結構也被稱為拉脹材料或結構，當其受軸向壓縮時，橫向也發生收縮，當其受軸向拉伸時，其橫向也向外擴張。

負泊松比網格材料與正泊松比材料相比具有更好的吸能性能和抗沖擊能力，尤其是負泊松比結構的拉脹效應使其吸收能量的能力得到了顯著的提升，常見的三維負泊比松結構有很多，如箭頭型、內凹六邊型，星型等。除結構外，網格結構的尺寸參數對其抗沖擊性能有顯著影響。

目前對于三維抗沖擊負泊松比結構的設計，主要集中在如何獲得負泊松比性能，以及吸收能量總量等方面，而實際應用中往往不能只關注吸收能量的總量，對于結構所處的變形階段、以及此時對應等效應力、應變的大小也需要進行關注，而現有的設計方法不能充分發揮結構的吸能性能。因此，提出一種具有普遍意義的三維抗沖擊負泊松比結構設計方法，尤其在于尺寸參數的確定方法，具有重要的理論和應用意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種三維抗沖擊負泊松比結構的設計方法，針對三維抗沖擊負泊松比結構，提供了一種具有初始峰應力低，比吸能高的三維抗沖擊負泊松比結構的設計方法，具有高實用性和高適應性。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

一種三維抗沖擊負泊松比結構的設計方法，包括以下步驟：

步驟1：建立幾何模型，提取構建模型的結構參數；

步驟2：推導結構的相對密度、等效彈性模量、泊松比、失效應力與步驟1中提取的結構參數之間的關系；

步驟3：對步驟1的模型進行壓縮和沖擊仿真，根據仿真結果擬合應力應變曲線，利用應力應變曲線計算單位質量材料吸收能量，根據所需能量吸收性能確定步驟1中的各結構參數x_n的取值范圍；

步驟4：對結構參數進行歸一化處理，確定歸一化后各結構參數與單位質量材料吸收能量之間的關系，獲得各結構參數對單位質量材料吸收能量的影響系數t_i，取影響系數大于最大影響系數50％的結構參數，設為[y₁,y₂,…,y_m]^T；

步驟5：結合步驟2的計算結果，以初始峰應力和比吸能為目標對步驟4中選取的結構參數[y₁,y₂,…,y_m]^T進行優化；

步驟6：計算步驟5結構參數對應的初始峰應力和比吸能，若不符合要求則增加優化次數，再次進入步驟5迭代循環，當初始峰應力和比吸能達到要求時，結束循環；

步驟7：根據步驟6獲得的優化后的結構參數進行模型構建，得到目標模型優化后的三維抗沖擊負泊松比結構。

進一步的，所述步驟2的具體步驟如下：

步驟2.1：建立相對密度、等效彈性模量、泊松比、失效應力與結構參數的函數關系；

步驟2.2：分析結構參數與結構性質的對應關系，通過計算獲取不同結構參數下的結構的性質。