西工大复材顶刊：3D打印负刚度超夹层结构在重复冲击载荷下的动态失效

| 3DScienceValley · 2023/03/03

以下文章来源于复合材料力学

导读

在轻量化设计的基础上实现高效的吸能，一直是先进工程和应用科学研究的热点。夹层结构作为薄壁结构的一种典型类型，由于其优异的力学性能、比吸能性能和多功能等特点，受到越来越多的关注，并被广泛应用于众多工程领域。近十年来，对传统蜂窝、泡沫、波纹和格子芯的夹层结构在低速高应变率弹道冲击、空气冲击、水下爆炸等条件下的抗冲击和动力破坏进行了大量研究。实验研究表明，传统夹层结构的吸能机制主要依靠大塑性变形来实现高动能耗散。这种原理通常会在初始冲击后导致巨大的材料损坏或整体结构破坏，这不可避免地破坏了承载能力，几乎不能用于承受多次或重复的冲击载荷。然而，作为一种典型且频繁发生的冲击案例，反复动载荷作用下的问题对于永久变形和剩余力学性能具有重要的现实意义。如何设计新型的能量吸收结构，以有效地减轻重复冲击载荷下的动能仍然是一个挑战，一直备受关注。然而，到目前为止，对负刚度结构在重复冲击载荷下的动态响应的研究还很少。这种新型人工结构在高应变率影响下的动态失效机制和速率依赖性仍有待探索。实现可重复使用的能量吸收和减轻重复的冲击负荷仍然是一个挑战。

2023年，《Composites Science and Technology》期刊发表了西北工业大学在3D打印负刚度超夹层结构在重复冲击载荷下的动态失效方面的研究工作，论文标题为“Dynamic failure of 3D printed negative-stiffness meta-sandwich structures under repeated impact loadings”。

在该研究中，作者通过引入双弯梁向轻型夹层板稳态转换的设计理念，设计和制造了几种负刚度超夹层结构（NSMSs）。实验呈现了在准静态压缩和重复高应变率冲击下可重复使用的能量吸收特性。应用选择性激光烧结（SLS）3D打印技术制备了玻璃纤维增强（GFR）尼龙NSMSs复合材料。通过理论分析、数值模拟和实验验证，系统地研究了新型复合材料结构在重复冲击载荷作用下的速率依赖性动态缓解和失效机理。

内容简介

图1通过SLS 3D打印制备的NSMS的示意图

图2(a)准静态压缩试验和有限元模型；(b)SHPB实验设置的原理图；(c)SHPB中的应力波分析；(d)蜂窝结构HB-1；(e)SHPB与NSMS的FEA模型

图3(a)NSMSs中双弯曲梁的变形模型和(b)力-位移分布分析；(c)吸收能量的理论曲面图和(d)不同h的释放能量

图4(a)实验测量和数值模拟了不同NSMS样品在准静态压缩下的力-位移分布；(b)实验测量的和(c)数值模拟的样品II的变形模式

在SHPB试验下，应变计A和应变计B捕获的典型信号如图5(a)。结果表明，整个冲击响应可分为两个阶段。第一阶段：初始入射波I下的动态压缩，其中入射波I和反射波I均由一对应变计（绿色阴影）测量；第二阶段：反射入射波（入射波II，蓝色阴影）下的第二轮动态压缩。初始状态（S0）、阶段I（S1）和阶段II（S2）之后的结构变形由高速摄像机捕获，并显示在图5(a)中。NSMS样品从S0变形为S2，其内部的双弯曲梁具有稳态变换。为了找到临界冲击速度，逐步增加一系列冲击能量，进行重复冲击试验。几个具有代表性的随冲击速度递增的入射信号如图5(b)所示。NS-1相应的应力-应变分布由式(1)得到，如图5(c)所示。不同冲击速度下的变形和破坏模式的高速快照如图5(c)所示。从变形模式可以看出，对于NS-1，冲击4(冲击速度5 m/s)可视为一次临界冲击，在此冲击下，结构的一层发生临界破坏。同样，对NS-2和NS-3试样分别选取6.2 m/s和6.8 m/s的临界冲击速度。图5(d)比较了不同冲击速度下的初始峰值应力σcr和对应的应变εcr(见图5(c))，反映了应变速率对动态响应的影响。随着应变率的增加，初始峰值应力σcr和相应的应变εcr均呈增加趋势。

图5(a)SHPB试验获得的电压信号；(b)应变计A捕获的入射波信号；(c)不同冲击速度下不同冲击载荷下NS-1结构下的应力-应变分布；(d)应变率对初始峰值应力σcr及相应应变εcr的影响

总体而言，高应变速率下NSMSs的应力-应变分布大致可分为弹性阶段、平台阶段和致密阶段，如图6(a)所示，与泡沫多孔结构相似。NS-1结构四次冲击实验得到的应力-应变曲线与公式(15)预测的应力-应变曲线对比如图6(c)所示。结果表明，弹性阶段和致密阶段的理论曲线与实验结果吻合较好。在平台阶段，理论曲线的总体趋势与实验曲线相对匹配，尽管稳态模态转换引起了波动。但式(15)的预测公式能够更好地降低NSMS的压缩力学行为。

图6(a)NSMS样品的典型应力-应变分布；(b)由n层双弯曲梁组成的NSMS的示意图；(c)理论预测和实验测量的NS-1结构在四次冲击下的应力-应变分布

图7为NS-1和蜂窝结构在SHPB冲击下的数值模拟变形过程。从仿真结果中得出了与实验测量结果相同的结论。对于NSMS的NS-1试件，最大变形阶段的最大应力局限在下部双曲梁(图7(a))，而上部双曲梁的应力则小得多，这与实验结果吻合较好。而蜂窝结构在最大变形阶段各层应力均最大，导致结构整体破坏(如图7(b)所示)。有限元分析进一步验证了NSMSs在抗重复冲击载荷方面表现出的更优异的潜力。

图7(a) NSMS和(b)蜂窝结构的变形模式和失效过程的数值模拟快照

小结
（1）通过理论分析、实验验证和数值模拟，给出了NSMSs复合材料在重复冲击载荷下的动态响应。提出了一系列的评价指标来定量地描述其能量吸收性能。在不同的冲击应变率下，验证了NSMSs复合材料可重复使用能量吸收的优越能力。

（2）建立了一个双稳态解析模型来描述单轴压缩条件下双弯曲梁的力位移关系，并推导了基于Gibson-Ashby模型的理论公式来解析预测NSMS的能量吸收性能。数值或实验结果与来自各种结构参数的理论分布吻合较好。

（3）实验可视化了NSMSs复合材料在重复冲击下的失效机理，并与传统的蜂窝结构进行了比较。与蜂窝设计的整体剪切失效不同，NSMSs表现出独特的逐层失效模式，以产生损伤隔离效应，从而具有优异的抵抗重复冲击载荷的性能。

原始文献

Jiakang Gan, Fenglei Li, Keqiang Li, Eric Li, Bing Li. Dynamic failure of 3D printed negative-stiffness meta-sandwich structures under repeated impact loadings, Composites Science and Technology 234 (2023) 109928, https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.109928.

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