内凹角型负泊松比蜂窝结构力学性能研究

郑战光; 陈俊翔; 孙腾; 谢昌吉; 黄增

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.017

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

内凹角型负泊松比蜂窝结构力学性能研究

·设计·计算· | 更新时间：2025-07-10

- 内凹角型负泊松比蜂窝结构力学性能研究
- Study on mechanical property of internal concave angle honeycomb structure with negative Poisson ratio
- 机械强度 2025年47卷第7期页码：135-143
- 作者机构：
  
  1.广西大学机械工程学院广西高校现代设计与先进制造重点实验室，南宁 530004
  2.北部湾大学机械与船舶海洋工程学院，钦州 535011
  3.广西机电职业技术学院先进制造技术学院，南宁 530007
- 作者简介：
  
  ZHENG Zhanguang, E-mail: zhenglight@126.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(52265018;51675110);广西自然科学基金项目(2021GXNSFAA220119);柳州市科技计划项目(2022ABA0101)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.017
  中图分类号：
- 收稿日期：2023-12-23，
  
  修回日期：2024-02-05，
  
  纸质出版日期：2025-07-15
- 稿件说明：
移动端阅览
郑战光，陈俊翔，孙腾，等. 内凹角型负泊松比蜂窝结构力学性能研究［J］. 机械强度，2025，47（7）：135-143.

ZHENG Zhanguang，CHEN Junxiang，SUN Teng，et al.Study on mechanical property of internal concave angle honeycomb structure with negative Poisson ratio［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（7）：135-143.
郑战光，陈俊翔，孙腾，等. 内凹角型负泊松比蜂窝结构力学性能研究［J］. 机械强度，2025，47（7）：135-143. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.017.

ZHENG Zhanguang，CHEN Junxiang，SUN Teng，et al.Study on mechanical property of internal concave angle honeycomb structure with negative Poisson ratio［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（7）：135-143. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.017.

摘要

负泊松比结构由于具有优异的力学性能而广泛应用于各工程领域。将星形蜂窝结构与内凹结构相结合，提出了一种新型内凹角型负泊松比蜂窝结构。首先，基于对称性将胞元结构简化分析，利用能量法对该结构的泊松比和等效弹性模量解析式进行推导。其次，采用Abaqus有限元软件对该结构竖直方向压缩力学性能进行研究，将数值模拟结果与理论计算结果比较分析，验证了解析表达式的准确性。最后，讨论了胞元结构的不同几何参数对结构等效泊松比和等效弹性模量变化的影响，并将该结构的等效力学性能与常规星形蜂窝结构进行了对比分析。结果表明，该结构具有良好的负泊松比特性，并且通过改变几何参数的大小，可以对结构的等效力学性能进行调整。研究结果可为新型负泊松比超材料的设计提供一定的参考。

Abstract

Negative Poisson ratio structures are widely applied in various engineering fields due to their excellent mechanical properties. By combining the star-shaped honeycomb structure with the re-entrant structure

a novel re-entrant angle-type negative Poisson ratio honeycomb structure is proposed. Firstly

the unit cell structure was simplified and analyzed based on symmetry

and the analytical expressions for the Poisson ratio and equivalent elasticity modulus of the structure were derived using the energy method. Secondly

the vertical compressive mechanical properties of the structure were investigated using Abaqus finite element software

and the numerical simulation results were compared with the theoretical calculations to validate the accuracy of the analytical expressions. Finally

the influence of different geometric parameters of the unit cell structure on the equivalent Poisson ratio and equivalent elasticity modulus was discussed

and the equivalent mechanical properties of the structure were compared with those of conventional star-shaped honeycomb structures. The results demonstrate that the proposed structure exhibits favorable negative Poisson ratio characteristics

and its equivalent mechanical properties can be adjusted by modifying the geometric parameters. The findings provide valuable insights for the design of novel negative Poisson ratio metamaterials.

关键词

Keywords

references

WU T Y ， LI M X ， ZHU X L ， et al . Research on non-pneumatic tire with gradient anti-tetrachiral structures ［J］. Mechanics of Advanced Materials and Structures ， 2021 ， 28 （ 22 ）： 2351 - 2359 .

赵万忠，赵宏宇，王春燕 . 基于负泊松比结构的汽车B柱结构耐撞性优化设计［J］. 江苏大学学报（自然科学版）， 2020 ， 41 （ 2 ）： 166 - 171 ．

ZHAO Wanzhong ， ZHAO Hongyu ， WANG Chunyan . Crash-worthiness optimization design of automobile B-pillar structure based on negative Poisson's ratio structure ［J］. Journal of Jiangsu University （Natural Science Edition）， 2020 ， 41 （ 2 ）： 166 - 171 . （In Chinese）

TANCOGNE-DEJEAN T ， DIAMANTOPOULOU M ， GORJI M B ， et al . 3D plate-lattices： an emerging class of low-density metamaterial exhibiting optimal isotropic stiffness ［J］. Advanced Materials ， 2018 ， 30 （ 45 ）： 1803334 .

XU N ， LIU H T . A novel 3-D structure with tunable Poisson's ratio and adjustable thermal expansion ［J］. Composites Communications ， 2020 ， 22 ： 100431 .

任鑫，张相玉，谢亿民 . 负泊松比材料和结构的研究进展［J］. 力学学报， 2019 ， 51 （ 3 ）： 656 - 687 .

REN Xin ， ZHANG Xiangyu ， XIE Yimin . Research progress in auxetic materials and structures ［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics ， 2019 ， 51 （ 3 ）： 656 - 687 . （In Chinese）

REN X ， DAS R ， TRAN P ， et al . Auxetic metamaterials and structures： a review ［J］. Smart Materials and Structures ， 2018 ， 27 （ 2 ）： 023001 .

GIBSON L J ， ASHBY M F ， SCHAJER G S ， et al . The mechanics of two-dimensional cellular materials ［J］. Proceedings of the Royal Society of London ，Seriess. A； Mathematical and Physical Sciences， 1982 ， 382 （ 1782 ）： 25 - 42 .

YANG D U ， LEE S ， HUANG F Y ． Geometric effects on micropolar elastic honeycomb structure with negative Poisson's ratio using the finite element method ［J］. Finite Elements in Analysis and Design ， 2003 ， 39 （ 3 ）： 187 - 205 .

侯秀慧，尹冠生 . 负泊松比蜂窝抗冲击性能分析［J］. 机械强度， 2016 ， 38 （ 5 ）： 905 - 910 .

HOU Xiuhui ， YIN Guansheng . Dynamic crushing performance analysis for auxetic honeycomb structure ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2016 ， 38 （ 5 ）： 905 - 910 . （In Chinese）

LARSEN U D ， SIGMUND O ， BOUWSTRA S . Design and fabrication of compliant micro mechanisms and structures with negative Poisson's ratio ［J］. Journal of Microelectromechanical Systems： A Joint IEEE and ASME Publication on Microstructures，Microactuators，Microsensors and Microsystems ， 1997 ， 6 （ 2 ）： 99 - 106 .

GRIMA J N ， GATT R ， FARRUGIA P S . On the properties of auxetic meta-tetrachiral structures ［J］. Physica Status Solidi ，B. Basic Research， 2008 ， 245 （ 8 ）： 511 - 520 .

GRIMA J N ， WINCZEWSKI S ， MIZZI L ， et al . Tailoring graphene to achieve negative Poisson's ratio properties ［J］. Advanced Materials ， 2015 ， 27 （ 8 ）： 1455 - 1459 .

THEOCARIS P S ， STAVROULAKIS G E ， PANAGIOTOPOULOS P D . Negative Poisson's ratios in composites with star-shaped inclusions：a numerical homogenization approach ［J］. Archive of Applied Mechanics ， 1997 ， 67 （ 4 ）： 274 - 286 .

DOS R F ， GANGHOFFER J F . Equivalent mechanical properties of auxetic lattices from discrete homogenization ［J］. Computational Materials Science ， 2012 ， 51 （ 1 ）： 314 - 321 .

AI L ， GAO X L . An analytical model for star-shaped re-entrant lattice structures with the orthotropic symmetry and negative Poisson's ratios ［J］. International Journal of Mechanical Sciences ， 2018 ， 145 ： 158 - 170 .

刘海涛，王彦斌，张争艳 . 可调泊松比圆弧星型结构的参数化设计［J］. 中国机械工程， 2021 ， 32 （ 18 ）： 2211 - 2216 ．

LIU Haitao ， WANG Yanbin ， ZHANG Zhengyan . Parametrization design of arc-start-shaped structures with tunable Poisson's ratio ［J］. China Mechanical Engineering ， 2021 ， 32 （ 18 ）： 2211 - 2216 . （In Chinese）

GONG X B ， HUANG J ， SCARPA F ， et al . Zero Poisson's ratio cellular structure for two-dimensional morphing applications ［J］. Composite Structures ， 2015 ， 134 ： 384 - 392 .

卢子兴，王欢，杨振宇，等 . 星型-箭头蜂窝结构的面内动态压溃行为［J］. 复合材料学报， 2019 ， 36 （ 8 ）： 1893 - 1900 ．

LU Zixing ， WANG Huan ， YANG Zhenyu ， et al . In-plane dynamic crushing of star-arrowhead honeycomb structure ［J］. Acta Materiae Compositae Sinica ， 2019 ， 36 （ 8 ）： 1893 - 1900 . （In Chinese）

WANG S ， LIU H T . Enhancement design and quasi-static crushing response of novel star-rhombus honeycombs ［J］. Physica Status Solidi B-basic Solid State Physics ， 2023 ， 260 （ 10 ）： 230231 .

韩广，郄彦辉，班宝旺 . 新型斜十字负泊松比结构弹性力学性能研究［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 1 ）： 183 - 189 .

HAN Guang ， QIE Yanhui ， BAN Baowang . Study on elastic mechanical property of novel oblique cross-like structure with negative Possion's ratio ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 1 ）： 183 - 189 . （In Chinese）

ZHANG Z W ， TIAN R L ， ZHANG X L ， et al . A novel butterfly-shaped auxetic structure with negative Poisson's ratio and enhanced stiffness ［J］. Journal of Materials Science ， 2021 ， 56 （ 25 ）： 14139 - 14156 .

LI Q N ， CAO X F ， WU X X ， et al . Investigation of the energy absorption characteristics and negative Poisson's ratio effect of an improved star-shaped honeycomb ［J］. Journal of Marine Science and Engineering ， 2023 ， 11 （ 9 ）： 1799 .

ATTARD D ， GRIMA J N . Modelling of hexagonal honeycombs exhibiting zero Poisson's ratio ［J］. Physica Status Solidi ，B.Basic Research， 2011 ， 248 （ 1 ）： 52 - 59 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

新型负泊松比材料内凹正四面体胞元弹性性能研究

一种具有增强力学可调性的3D打印拉胀结构的设计方法

基于三周期极小曲面的梯度多孔支架力学及渗透性能研究

局部腐蚀对多孔结构力学性能的影响

新型负泊松比材料等效性能与吸能性能研究