[发明专利]一种三维抗冲击负泊松比结构的设计方法

说明书

一种三维抗冲击负泊松比结构的设计方法，属于负泊松比材料技术领域，具体包括以下步骤：步骤1：建立几何模型，提取结构参数；步骤2：推导相对密度、等效模量、泊松比、失效应力与结构参数的关系；步骤3：对模型进行压缩和冲击仿真，确定各结构参数的取值范围；步骤4：对结构参数进行处理，获得对吸能性能影响较大的结构参数；步骤5：利用多目标优化方法对结构参数进行优化；步骤6：计算初始峰应力和比吸能，若不符合要求则再次进入步骤5迭代循环，当达到要求，结束循环；步骤7：取优化后的结构参数构建模型，得到三维抗冲击负泊松比结构。通过本发明能够使获得的结构初始峰应力更低，比吸能更高。

技术领域

本发明属于负泊松比材料技术领域，具体涉及一种三维抗冲击负泊松比结构的设计方法。

背景技术

负泊松比材料或结构也被称为拉胀材料或结构，当其受轴向压缩时，横向也发生收缩，当其受轴向拉伸时，其横向也向外扩张。

负泊松比网格材料与正泊松比材料相比具有更好的吸能性能和抗冲击能力，尤其是负泊松比结构的拉胀效应使其吸收能量的能力得到了显著的提升，常见的三维负泊比松结构有很多，如箭头型、内凹六边型，星型等。除结构外，网格结构的尺寸参数对其抗冲击性能有显著影响。

目前对于三维抗冲击负泊松比结构的设计，主要集中在如何获得负泊松比性能，以及吸收能量总量等方面，而实际应用中往往不能只关注吸收能量的总量，对于结构所处的变形阶段、以及此时对应等效应力、应变的大小也需要进行关注，而现有的设计方法不能充分发挥结构的吸能性能。因此，提出一种具有普遍意义的三维抗冲击负泊松比结构设计方法，尤其在于尺寸参数的确定方法，具有重要的理论和应用意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维抗冲击负泊松比结构的设计方法，针对三维抗冲击负泊松比结构，提供了一种具有初始峰应力低，比吸能高的三维抗冲击负泊松比结构的设计方法，具有高实用性和高适应性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种三维抗冲击负泊松比结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：建立几何模型，提取构建模型的结构参数；

步骤2：推导结构的相对密度、等效弹性模量、泊松比、失效应力与步骤1中提取的结构参数之间的关系；

步骤3：对步骤1的模型进行压缩和冲击仿真，根据仿真结果拟合应力应变曲线，利用应力应变曲线计算单位质量材料吸收能量，根据所需能量吸收性能确定步骤1中的各结构参数x_n的取值范围；

步骤4：对结构参数进行归一化处理，确定归一化后各结构参数与单位质量材料吸收能量之间的关系，获得各结构参数对单位质量材料吸收能量的影响系数t_i，取影响系数大于最大影响系数50％的结构参数，设为[y₁,y₂,…,y_m]^T；

步骤5：结合步骤2的计算结果，以初始峰应力和比吸能为目标对步骤4中选取的结构参数[y₁,y₂,…,y_m]^T进行优化；

步骤6：计算步骤5结构参数对应的初始峰应力和比吸能，若不符合要求则增加优化次数，再次进入步骤5迭代循环，当初始峰应力和比吸能达到要求时，结束循环；

步骤7：根据步骤6获得的优化后的结构参数进行模型构建，得到目标模型优化后的三维抗冲击负泊松比结构。

进一步的，所述步骤2的具体步骤如下：

步骤2.1：建立相对密度、等效弹性模量、泊松比、失效应力与结构参数的函数关系；

步骤2.2：分析结构参数与结构性质的对应关系，通过计算获取不同结构参数下的结构的性质。