基于增材制造的新型三维增材结构的压缩力学性能

来源： COMSOL 多物理场仿真技术

Auxetic Metamaterials 是一类通过人工设计内部 Auxetic 结构实现的具有负泊松比 （NPR） 性能的功能材料，由于其优异的抗冲击性、高比刚度和独特的力学行为，在航空航天、造船等领域具有广阔的应用前景。在这项工作中，我们提出了一种基于二维 （2D） ART 的新型三维 （3D） 晶格不对称凹角三角形 （LART） 结构 （LART），样品是通过液晶显示器 （LCD） 3D 打印技术制造的。

通过实验和有限元 （FE） 模拟相结合的方式，研究了 LART 在准静态压缩下的破碎响应以及结构参数对力学性能的影响。结果表明，LART 具有明显的 NPR 性能，并且可以通过改变参数来调节 LART 的力学性能。此外，还使用 FE 模拟研究了壁厚和单元数量对 LART 的影响。最后，将 LART 与 2D-ART 和 3D 重入晶格结构 （3D-RE） 进行了比较，以突出设计优势。

结果表明，LART 具有优于其他两种结构的承载能力，比能量吸收 （SEA） 值分别是 2D-ART 和 3D-RE 的 17 倍和 2.34 倍。本文研究的 LART 构型均未出现单侧屈曲的不稳定变形，证明了其在软机器人和电子设备等领域的潜在应用。

总结

本文提出了一种基于二维ART的创新3D自膨胀晶格结构，并使用LCD 3D打印技术制备了样品。通过实验和仿真相结合的方法，研究了LART在y方向准静态压缩下的变形模式和力学性能。还探讨了壁厚和单元数对LART的影响，以及在未破坏变形模式下泊松比值的连续变化趋势。最后，比较了单元数为2 × 2 × 2的LART在压缩响应方面与2D-ART和3D-RE的差异，确保相同的ρr，突出了新型3D结构的设计优势。根据实验结果，可以得出以下结论：

1.LART的应力曲线可以分为四个阶段：弹性阶段、第一次平台阶段、峰值应力阶段和第二次平台阶段。由于材料本身脆性，LART在第二个平台阶段发生了严重的断裂失效，表现出类似于突然屈曲的承载特性。在峰值应力之前，LART的压碎响应可以通过理想的弹塑性材料模型很好地模拟，有助于研究结构的连续变形模式和泊松比。

2.随着压缩的进行，LART从外围向结构中心收缩，表现出沙漏形状的变形，并展现出优异的自膨胀特性。当沿y方向压缩时，由于对称性，LART的泊松比在x和z方向上几乎相同。连接方式的改变使得LART的单元格不再表现出与原设计策略相同的变形机制，不同的镜像方法对LART的力学性能几乎没有影响。

3.参数a、θ1和S通过改变单元格的非对称配置共同影响LART的力学性能，而θ2通过改变三角形的旋转角度来调节LART的力学性能。参数对LART的影响主要体现在第一次平台阶段的长度和强度、EM、峰值应力的大小以及达到峰值应力的速度上。通过设计这些参数，LART可以具有适应不同工程应用场景的特性。

4.LART的力学性能对t的变化更加敏感。t的增加显著提高了LART的承载力和能量吸收能力，但这以牺牲自膨胀性为代价。减小nx或增加ny会降低LART的EM，且增加ny也会导致结构变形不均匀。增加nx和ny会减少第三阶段的峰值应力，但LART的实际加载力在较小的nx下仍然较小。减小nx/ny会导致更大的自膨胀性。

5.在相同ρr下，LART的承载力和能量吸收能力远高于2D-ART和3D-RE，其中LART的SEA分别是2D-ART和3D-RE的17倍和2.34倍。LART和2D-ART的泊松比呈相同趋势上升，相比3D-RE，LART实现了更大的自膨胀性。

6.本文研究的所有LART配置在变形过程中均表现出稳定的形变，没有单侧屈曲，同时获得了较大的自膨胀性，这表明该设计方法在软机器人、可编程阻尼器和柔性电子设备等领域具有广泛的应用前景。