复合拉胀结构的力学性能及增强拉胀机理研究

供稿人：关志强、连芩 供稿单位： 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验　

与传统材料不同，拉胀结构（也叫超材料）具有负泊松比的独特性质，当给结构施加一个垂直压缩（拉伸）载荷时，其在横向是收缩（膨胀）的。这种结构由于其具有很多良好的性能，如可以增强结构的抗屈曲性、剪切模量、断裂韧性和能量吸收能力而在许多领域中都有着广泛的应用。将拉胀结构与其他材料或结构（嵌入结构）相结合以提高力学性能是一个重要的研究课题。为了将两者完整的结合在一起，常在嵌入结构与拉胀结构之间施加足够的约束。又因为调整机械性能通常需要改变结构的形状。然而，由于存在太多的约束，嵌入结构或拉胀结构的形状不能独立的改变，当一种结构改变以调整机械性能的时候，另一个结构也经常要做出适应性改变，这增加了设计的复杂性和不确定性。

山东科技大学的王清团队以增强版的蜂窝结构（拉胀结构的一种）作为拉胀结构，以菱形结构作为嵌入结构，减少了两者之间的约束数量，提出柔性变形复合拉胀结构（CASwFD），如图1所示，可以实现拉胀结构与嵌入结构的独立变形。

图1. A）菱形网格嵌入增强版的蜂窝结构.B）具有柔性变形的复合拉胀结构.C）嵌入结构（红色）可以改变而拉胀结构（蓝色）保持不变（CASwFD-1）.D)拉胀结构可以改变（水平杆的长度改变，倾斜杆的长度保持不变）而嵌入结构保持不变（CASwFD-2）.E) 拉胀结构可以改变（水平杆的长度保持不变，倾斜杆的长度改变）而嵌入结构保持不变（CASwFD-3）

作者还通过理论和数值分析，研究了嵌入结构和拉胀结构的变化对整体结构泊松比、相对杨氏模量和能量吸收的影响。研究发现，嵌入结构主要影响整体结构的泊松比和相对杨氏模量，拉胀结构影响整体结构的能量吸收。通过合理设计两个分结构，可以使整体结构的材料利用率达到最佳。通过改变拉胀结构，可以在大范围内调节整体结构的机械性能。该结构有望为复合拉胀结构的设计提供一种新的途径。

参考文献：
Qing Wang et al, Study of mechanical properties and enhancing auxetic mechanism of composite auxetic structures[J]. Engineering Report(2021). DOI: 10.1002/eng2.12436