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【成果展示】在不同受力状态下具有力学性能增强的拉胀复合材料异构几何设计

2023-01-26 13:06 作者:多样化结构实验室VSL  | 我要投稿

导读


建构化材料因为其独特的力学属性和广泛的应用前景备受关注。近年来,越来越多的学者将建构化材料与常规材料相结合形成复合材料,以达到更高的强度和刚度。建构化材料在实际应用中通常需要适应多种受力状态,但目前大多数研究只考虑材料在拉伸、压痕、剪切、弯曲等单一加载场景下的性能,缺乏对复杂受力状态的探索。本期为大家介绍课题组李智雄等同学于近期发表在Composites Communications上题为Heterogeneous geometric designs in auxetic composites toward enhanced mechanical properties under various loading scenarios的文章。

https://doi.org/10.1016/j.coco.2023.101499

                                    

本文以3D打印的晶格材料(Polylactic acid)作为增强相,以硅胶(Silicone rubber)作为基质,形成建构化复合材料(SAC),接着研究蜂窝、内凹与杂交三种几何的复合材料在压缩与压剪结合状态下的力学性能,在获得不同复合材料变形行为和受力特征的基础上,提出了异构几何设计方法,探索新型复合材料的刚度与吸能效果,最后研究复合材料在重复压缩和循环压缩状态下的力学性能。文章主要内容如下:

 

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建构化复合材料的设计与制作。利用3D打印制作晶格材料与模具,并浇筑液态硅胶,待硅胶固化,形成建构化复合材料。基于Gison’s model设计蜂窝(Honeycomb)、内凹(Re-entrant)、杂交(Hybrid)三种复合材料,其中杂交复合材料是蜂窝与内凹几何的结合,通过调节晶格的壁厚,将所有复合材料的增强相体积分数设置为20%

图1 建构化复合材料的设计与制作


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复合材料在受压与压剪结合受力下的力学性能。在受压状态下,不同复合材料表现出不一样的变形行为,有限元模拟与试验结果趋势一致,蜂窝复合材料(SAC-HC)发生横向膨胀,内凹复合材料(SAC-R)发生屈曲变形,而杂交复合材料(SAC-H)出现中间收缩上下膨胀的现象。从力位移曲线可以看出,内凹复合材料表现出最大的抗压刚度,蜂窝复合材料较小,杂交复合材料抗压刚度处于两种之间,由于晶格的存在,建构化复合材料的抗压刚度均大于纯硅胶材料。在压剪结合状态下,复合材料的抗剪刚度与抗压刚度呈现相反的趋势,抗压刚度最好的内凹复合材料表现出较小的抗剪刚度,而蜂窝复合材料具有最大的抗剪刚度和能量耗散,杂交复合材料仍处于两者之间。总的来说,不同几何设计的复合材料在特定的荷载下具有独特的优势。

 

图2 建构化复合材料在压缩与压剪结合状态下的力学行为


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异构几何设计与复合材料力学性能。仍采用Gison’s model调节假设泊松比(vc)设计出蜂窝(HC)、长方形(RC)与内凹(RE)三种常规几何复合材料,在此基础上提出异构几何设计方法,通过添加桁架(T)形成内凹-桁架(RT)与蜂窝-桁架(HCT)新型复合材料,将复合材料增强相的体积分数均设置为30%

在受压状态下,随着假设泊松比的下降,复合材料的抗压刚度逐渐增加,内凹复合材料在三种常规几何中表现出最大的抗压刚度。另外,桁架结构能够提供额外的受荷路径,晶格受力更加均匀,使得内凹-桁架与蜂窝-桁架复合材料的抗压刚度比常规几何分别提升了38%53.5%。在压剪结合状态下,复合材料的抗剪刚度随着假设泊松比增加而增大,并且添加桁架的复合材料抗剪刚度比原有几何有很大提升,其中内凹-桁架提升475%,蜂窝-桁架提升66.7%。同时,添加桁架复合材料的吸能耗能也比常规几何有一定增强。

 

图3 异构几何设计与复合材料力学性能


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建构化复合材料在循环压缩下的力学响应。在之前试验中,发现建构化复合材料在内部晶格断裂情况下,其承载能力不会发生崩塌式下降,具有很好的能量吸收效果,于是对复合材料进行循环压缩试验。在三次重复压缩下,虽然复合材料的刚度值出现下降,但其刚度值仍明显大于纯硅胶材料。而在逐级循环压缩下,由于内部晶格破坏,复合材料的刚度值逐渐下降,但每次循环都具有饱满的滞回曲线面积。计算两种循环压缩试验下的能量吸收,在常规几何中内凹复合材料具有最好的能量吸收能力,并且添加桁架的新型复合材料比原有几何有一定提升。

图4 建构化复合材料在循环压缩下的力学响应


总 结


我们通过几何结构设计,使多样化的建构化复合材料能够适应不同的受力场景,其中内凹复合材料在受压状态和循环压缩状态下具有较大的刚度和能量吸收,而蜂窝复合材料在压剪结合状态下具有较大的抗剪刚度和能量耗散性能。同时提出异构几何设计方法,通过添加桁架方式提升原有结构的刚度与能量吸收。尽管本研究探索3D打印先进复合材料与几何结构设计,为开发保护装置、弹性接缝与支座等应用提供新的方案,但仍有一些内容需要进一步研究,如打印参数对复合材料的影响;通过数字驱动方法优化结构,提高设计效率;以具体应用场景与需求,反向选择合适的尺寸、材料与几何等。

 

 

来源于多样化结构实验室VSL

排版 | 李嘉晨

审核 | 胡   楠



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