Study on the mechanical performance and energy absorption characteristics of structures with varying cross-sections and negative Poisson ratio

WANG Jie; LIN Lisheng; PANG Qingqing; CAO Zheng; ZHANG Jianzhuo

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.015

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Study on the mechanical performance and energy absorption characteristics of structures with varying cross-sections and negative Poisson ratio

·Experimental Research·Testing Technology· | 更新时间：2026-07-17

- Study on the mechanical performance and energy absorption characteristics of structures with varying cross-sections and negative Poisson ratio
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 7, Pages: 127-136(2026)
- 作者机构：
  
  1.重庆城市职业学院航空学院，重庆 402160
  2.辽宁工程技术大学机械工程学院，阜新 123000
  3.山东兖矿智能制造有限公司，济宁 273500
- 作者简介：
  
  LIN Lisheng, E-mail: 1547456980@qq.com
- 基金信息：
  
  National Key Scientific Instrument Development Project(52427805);2025 Science and Technology Project of Chongqing Municipal Education Commission(KJQN202503906)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.015
  CLC： TH114
- Received：14 November 2024，
  
  Revised：2025-01-05，
  
  Online First：17 July 2026，
  
  Published：15 July 2026
- 稿件说明：
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王洁，林立省，庞晴晴，等. 变截面负泊松比结构力学性能及吸能特性研究［J］. 机械强度，2026，48（7）：127-136.

Wang Jie，Lin Lisheng，Pang Qingqing，et al. Study on the mechanical performance and energy absorption characteristics of structures with varying cross-sections and negative Poisson ratio［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（7）：127-136.
王洁，林立省，庞晴晴，等. 变截面负泊松比结构力学性能及吸能特性研究［J］. 机械强度，2026，48（7）：127-136. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.015.

Wang Jie，Lin Lisheng，Pang Qingqing，et al. Study on the mechanical performance and energy absorption characteristics of structures with varying cross-sections and negative Poisson ratio［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（7）：127-136. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.015.

摘要

目的

设计一种变截面双箭型负泊松比蜂窝结构（简称变截面结构），揭示截面变化率对结构力学性能及吸能特性的影响规律，为其在缓冲吸能领域的工程应用提供理论依据。

方法

首先，基于胞元几何参数推导截面变化率与相对密度的关系；其次，利用变截面梁与等截面梁弯曲应变能等效原理，建立变截面结构的等效本构模型；然后，采用Ansys/Ls-Dyna建立有限元模型进行准静态压缩分析，并通过3D打印样件的准静态加载试验验证模型准确性；最后，进一步通过Ls-Dyna研究不同冲击速度（20、35、70、120 m/s）和截面变化率（

=0、0.2、0.4、0.6、0.8）下面内冲击响应、平台应力及能量吸收特性。

结果

结果表明，解析解、数值模拟与试验结果吻合良好，验证了本构模型及有限元模型的准确性。冲击速度对结构冲击特性影响显著，速度增加使弹性模量提高、平台应力阶段延长。截面变化率增大可增强结构整体刚度并延缓负泊松比效应，使局部变形更难发生。截面变化率与能量吸收率呈正相关，变截面结构比等截面结构在20 m/s和70 m/s冲击下的比吸能分别提高42.1%和13.8%；当

为0.4~0.6时吸能特性最优。变截面结构在减轻整体质量的同时未削弱力学性能，能量吸收能力显著提升。

Abstract

Objective

To design a variable cross-section double-arrow negative Poisson ratio honeycomb structure (referred to as variable cross-section structure)

and to reveal the influence of cross-sectional variation rate on its mechanical properties and energy absorption characteristics

providing theoretical support for its engineering application in buffering and energy absorption.

Methods

The relationship between cross-sectional variation rate and relative density was derived based on the geometric parameters of the unit cell. An equivalent constitutive model of the variable cross-section structure was established using the bending strain energy equivalence theory of variable and uniform cross-section beams. A finite element model was developed in Ansys/Ls-Dyna for quasi-static compression analysis

and the model accuracy was validated through quasi-static loading tests on 3D-printed specimens. Furthermore

the in-plane impact response

plateau stress

and energy absorption characteristics were investigated under different impact velocities (

120 m/s) and cross-sectional variation rates (

0.2

0.4

0.6

0.8).

Results

The analytical solutions

numerical simulations

and experimental results showed good agreement

validating the accuracy of the constitutive model and FEA model. Impact velocity significantly affects the impact characteristics: increasing velocity enhances the elastic modulus and prolongs the plateau stress stage. A higher cross-sectional variation rate increases the overall structural stiffness and delays the negative Poisson ratio effect

making local deformation more difficult. The cross-sectional variation rate is positively correlated with energy absorption rate. Compared with the uniform cross-section structure

the variable cross-section structure exhibits 42.1% and 13.8% higher specific energy absorption under impact velocities of 20 m/s and 70 m/s

respectively. The optimal energy absorption performance occurs when

is between 0.4 and 0.6. The variable cross-section structure reduces overall weight without compromising mechanical properties and significantly enhances energy absorption capacity.

关键词

Keywords

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