復合材料負泊松比結構的沖擊力學性能

趙昌方， 朱宏偉， 任 杰， 仲健林

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

碳纖維復合材料具有優異的吸能、比吸能、比強度、比剛度等性質[1-3]，廣泛應用于汽車工業和航空航天及武器工業領域[4-7]。陳靜等[8]針對汽車防撞梁開展了試驗和仿真研究，并對結構參數進行了優化設計。ATAABADI等[9]通過大量實驗研究了碳纖維復合材料層合結構的壓潰機理，指出面內失效包括基體破碎、分層破壞、纖維斷裂3種模式。莊蔚敏等[10]基于LS-DYNA有限元軟件對碳纖維復合材料圓管進行了壓潰模擬。負泊松比結構同樣具有良好的曲面同向性、抗壓痕性以及緩沖特性[11-12]。劉宇等[13]建立了鋼材基的均勻蜂窩結構、角度梯度蜂窩結構、內厚度梯度蜂窩結構及高度梯度蜂窩結構，通過仿真開展了吸能、比吸能及變形模式研究。任晨輝等[14]提出了一種負剛度的負泊松比結構，并理論求解了結構的等效力學常數。于雅琳等[15]制備了一種碳纖維復合材料負泊松比二維結構，并通過數值仿真和實驗獲取了結構受壓的泊松比變化。

目前大多數負泊松比結構的基材都是金屬，體現出的情況是金屬密度大，使得比吸能下降。于雅琳等[15]制備的結構屬于平面二力桿，其緩沖吸能和沖擊承載未曾開展研究。碳纖維復合材料與負泊松比結構的結合將會得到什么樣的特性，需要進一步的研究。基于此，本研究設計了一種面內二維、空間三維的碳纖維復合材料負泊松比結構，并通過有限元仿真對不同沖擊速度、不同沖擊位置、不同沖擊層數的沖擊性能進行研究。……