含孔萤石板格超材料压缩性能研究
Study on compressive properties of porous fluorite lattice metamaterials
- 机械强度 2025年47卷第12期 页码：141-150
- 作者机构：
中国民航大学 中欧航空工程师学院，天津 300300
- 作者简介：
张力晨，女，2003年生，安徽合肥人，在读本科生；主要研究方向为轻量化结构设计与性能分析；E-mail：2648131581@qq.com。
邬栋权（通信作者），男，1991年生，内蒙古呼和浩特人，博士，副教授；主要研究方向为轻量化结构设计与性能分析；E-mail：dqwu@cauc.edu.cn。
- 基金信息：中国民航大学大学生创新训练计划项目(IECAUC2024430);国家自然科学基金项目(52405441);中央高校基本科研业务费(3122024041);中国民航大学研究生创新基金项目(2023YJSKC12002)
DOI：DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.12.014
中图分类号： TK225收稿：2024-07-19，
纸质出版：2025-12-15
- 稿件说明：
移动端阅览
张力晨，李龙昊，邬栋权，等. 含孔萤石板格超材料压缩性能研究［J］. 机械强度，2025，47（12）：141-150.
ZHANG Lichen，LI Longhao，WU Dongquan，et al. Study on compressive properties of porous fluorite lattice metamaterials［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（12）：141-150.
张力晨，李龙昊，邬栋权，等. 含孔萤石板格超材料压缩性能研究［J］. 机械强度，2025，47（12）：141-150. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.12.014.
ZHANG Lichen，LI Longhao，WU Dongquan，et al. Study on compressive properties of porous fluorite lattice metamaterials［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（12）：141-150. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.12.014.
摘要
板格超材料是一种新兴的多功能超材料，具备超常的物理力学特性。首先，利用熔融沉积成型3D打印技术制备了不同晶胞长度、壁厚、开孔半径、晶胞层数的萤石结构板格超材料试样；然后，利用制备的试样进行了准静态压缩试验，并结合数字图像相关法和有限元仿真分析对比其变形机制，以探究不同参数对萤石结构板格超材料力学性能和吸能效果的影响。研究发现，无孔萤石结构在弹性区域内具有更高的弹性模量和屈服应力，表现出了更好的抗变形能力。随着晶胞长度的增加，能量吸收效率虽然提高，但比吸能会降低。壁厚的增加会导致弹性模量和平台应力上升，但比吸能降低。开孔半径的增加会导致平台应力和吸收能下降，比吸能降低。晶胞层数增加至3层时比吸能最高，但过多的层数会导致吸能效率降低。
Abstract
Plate lattice metamaterials are an emerging class of multifunctional metamaterials characterized by exceptional physical and mechanical properties. Specimens of fluorite structure plate lattice metamaterials with varying cell lengths
wall thicknesses
pore radius
and numbers of cell layers were fabricated using fused deposition modeling 3D printing technology. Quasi-static compression tests were conducted on the fabricated specimens
and their deformation mechanisms were analyzed and compared through digital image correlation and finite element simulations to investigate the effects of different parameters on the mechanical performance and energy absorption capabilities of the fluorite structure plate lattice metamaterials. The study revealed that the fluorite structure without holes exhibits higher modulus of elasticity and yield stress within the elastic region
demonstrating superior deformation resistance. Although energy absorption efficiency increases with cell length
the specific energy absorption decreases. Increasing wall thickness results in higher modulus of elasticity and platform stress but reduces specific energy absorption. Enlarging the pore radius leads to decreases in platform stress and energy absorption
as well as a reduction in specific energy absorption. The specific energy absorption reaches its maximum when the number of cell layers increases to three; however
excessive layering diminishes energy absorption efficiency.
关键词
Keywords
references
YU X L ， ZHOU J ， LIANG H Y ， et al . Mechanical metamaterials associated with stiffness，rigidity and compressibility：a brief review ［J］. Progress in Materials Science ， 2018 ， 94 ： 114 - 173 .
赵亚娟 ， 李宝毅 ， 马晨 ， 等 . 基于超材料的多频段微带滤波器 ［J］. 材料导报 ， 2019 ， 33 （ 增刊2 ）： 70 - 72 .
ZHAO Yajuan ， LI Baoyi ， MA Chen ， et al . Multi-band microstrip filter based on metamaterial ［J］. Materials Reports ， 2019 ， 33 （ Suppl.2 ）： 70 - 72 . （In Chinese）
王轩玉 ， 李楠 ， 乌日开西·艾依提 ， 等 . 射流熔融3D打印桁架点阵结构的力学性能研究 ［J］. 机械强度 ， 2023 ， 45 （ 5 ）： 1254 - 1258 .
WANG Xuanyu ， LI Nan ， WURIKAIXI Aiyiti ， et al . Study on the mechanical properties of truss lattice structures by MJF 3D printing ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 5 ）： 1254 - 1258 . （In Chinese）
徐向聪 ， 高佳丽 ， 郝云波 . 304不锈钢多层梯度点阵结构压缩性能及梯度率影响研究 ［J］. 机械强度 ， 2023 ， 45 （ 6 ）： 1318 - 1325 .
XU Xiangcong ， GAO Jiali ， HAO Yunbo . Research on compressive performance of 304 stainless steel multi-layer gradient lattice and gradient rate influence ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 6 ）： 1318 - 1325 . （In Chinese）
徐建新 ， 罗云菲 ， 李顶河 . 预应力下金字塔型点阵复合材料结构低速冲击动力学响应研究 ［J］. 机械强度 ， 2018 ， 40 （ 1 ）： 117 - 123 .
XU Jianxin ， LUO Yunfei ， LI Dinghe . Study on the low-velocity dynamic responses of pre-stressed composite pyramidal lattice structures ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2018 ， 40 （ 1 ）： 117 - 123 . （In Chinese）
宋波 ， 张磊 ， 王晓波 ， 等 . 面向航空航天的增材制造超材料的研究现状及发展趋势 ［J］. 航空制造技术 ， 2022 ， 65 （ 14 ）： 22 - 33 .
SONG Bo ， ZHANG Lei ， WANG Xiaobo ， et al . Research status and development trend of additive manufacturing metamaterials toward aerospace ［J］. Aeronautical Manufacturing Technology ， 2022 ， 65 （ 14 ）： 22 - 33 . （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 .
ANDREW J J ， SCHNEIDER J ， UBAID J ， et al . Energy absorption characteristics of additively manufactured plate-lattices under low-velocity impact loading ［J］. International Journal of Impact Engineering ， 2021 ， 149 ： 103768 .
ANDREW J J ， VERMA P ， KUMAR S . Impact behavior of nanoengineered，3D printed plate-lattices ［J］. Materials & Design ， 2021 ， 202 （ 29 ）： 109516 .
GUPTA A ， TALHA M . Recent development in modeling and analysis of functionally graded materials and structures ［J］. Progress in Aerospace Sciences ， 2015 ， 79 ： 1 - 14 .
YIN S ， CHEN H Y ， WU Y B ， et al . Introducing composite lattice core sandwich structure as an alternative proposal for engine hood ［J］. Composite Structures ， 2018 ， 201 ： 131 - 140 .
SCHURIG D ， MOCK J J ， JUSTICE B J ， et al . Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies ［J］. Science ， 2006 ， 314 （ 5801 ）： 977 - 980 .
XIAO D B ， DONG Z C ， LI Y ， et al . Compression behavior of the graded metallic auxetic reentrant honeycomb：experiment and finite element analysis ［J］. Materials Science and Engineering：A ， 2019 ， 758 ： 163 - 171 .
QI D X ， YU H B ， LIU M ， et al . Mechanical behaviors of SLM additive manufactured octet-truss and truncated-octahedron lattice structures with uniform and taper beams ［J］. International Journal of Mechanical Sciences ， 2019 ， 163 ： 105091 .
吴小莉 ， 李兆凯 . 新型负泊松比材料等效性能与吸能性能研究 ［J］. 机械强度 ， 2023 ， 45 （ 4 ）： 826 - 837 .
WU Xiaoli ， LI Zhaokai . Study on the equivalent properties and energy absorption properties of a novel material with negative Poisson's ratio ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 4 ）： 826 - 837 . （In Chinese）
卢世庆 ， 杨思一 ， 邢攸冬 . 聚氨酯泡沫填充正交梯形蜂窝铝的压缩力学性能研究 ［J］. 机械强度 ， 2023 ， 45 （ 3 ）： 591 - 597 .
LU Shiqing ， YANG Siyi ， XING Youdong . Study on compressive mechanical properties of orthogonal properties of orthogonal trapezoidal honeycomb aluminum filled with polyurethane foam ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 3 ）： 591 - 597 . （In Chinese）
0
浏览量
0
下载量
0
CSCD
- 网络PDF下载
- BibTeX下载
- Endnote下载
- RefMan 下载
- NoteExpress下载
- NoteFirst下载
关联资源
相关文章
相关作者
相关机构
- 技术支持由北京北大方正电子有限公司提供 豫ICP备05013835号-4
京公网安备11010802024621 - 本系统建议在Chrome、 IE9+ 以上版本浏览器阅读本站内容，360浏览器请切换至极速模式
- Cookies帮助我们提供服务并提供个性化体验。使用本网站，即表示您同意我们使用Cookies