复合材料负泊松比结构的冲击力学性能

赵昌方， 朱宏伟， 任 杰， 仲健林

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

碳纤维复合材料具有优异的吸能、比吸能、比强度、比刚度等性质[1-3]，广泛应用于汽车工业和航空航天及武器工业领域[4-7]。陈静等[8]针对汽车防撞梁开展了试验和仿真研究，并对结构参数进行了优化设计。ATAABADI等[9]通过大量实验研究了碳纤维复合材料层合结构的压溃机理，指出面内失效包括基体破碎、分层破坏、纤维断裂3种模式。庄蔚敏等[10]基于LS-DYNA有限元软件对碳纤维复合材料圆管进行了压溃模拟。负泊松比结构同样具有良好的曲面同向性、抗压痕性以及缓冲特性[11-12]。刘宇等[13]建立了钢材基的均匀蜂窝结构、角度梯度蜂窝结构、内厚度梯度蜂窝结构及高度梯度蜂窝结构，通过仿真开展了吸能、比吸能及变形模式研究。任晨辉等[14]提出了一种负刚度的负泊松比结构，并理论求解了结构的等效力学常数。于雅琳等[15]制备了一种碳纤维复合材料负泊松比二维结构，并通过数值仿真和实验获取了结构受压的泊松比变化。

目前大多数负泊松比结构的基材都是金属，体现出的情况是金属密度大，使得比吸能下降。于雅琳等[15]制备的结构属于平面二力杆，其缓冲吸能和冲击承载未曾开展研究。碳纤维复合材料与负泊松比结构的结合将会得到什么样的特性，需要进一步的研究。基于此，本研究设计了一种面内二维、空间三维的碳纤维复合材料负泊松比结构，并通过有限元仿真对不同冲击速度、不同冲击位置、不同冲击层数的冲击性能进行研究。……