蜂窝夹层结构弯曲试验（一种新型刚度增强的三角形拉胀蜂窝结构）

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多孔材料设计是一种创造新型轻量化、吸能材料和超材料的合理方法。多孔超材料是一种在天然物质中找不到类似属性的材料，该材料的性质与其结构密切相关。具有负泊松比(NPR)的超材料是拉胀材料，这种超材料在遭受到纵向拉伸或压缩载荷时可以横向膨胀或者收缩。

鉴于它们有独特的特性，多孔拉胀材料已被应用于生物医学设备、运动设备、能量吸收系统、传感器和执行器等领域。

已知多种多孔拉胀材料都具有负泊松比的性质，但是，那些对负泊松比和刚度都有要求的应用领域对于这些低刚度的结构来说仍是一个挑战。为了提升多孔拉胀材料的比刚度，采用了又轻又硬的材料，如纤维增强复合材料和3D打印连续纤维复合材料。此外，研究人员还对结构进行了拓扑修改，以增强拉胀材料的性能。总的来说，通过大幅度改变结构，拉胀多孔材料的低刚度和强各向异性的问题已经被克服了。

近日，伊斯法罕理工大学的Reza Jafari Nedoushan（第一作者兼通讯作者），首尔国立大学的Woong-Ryeol Yu（通讯作者）及其团队，在《Composite Structures》上发表了题为“Novel triangular auxetic honeycombs with enhanced stiffness”的文章，文中基于反四手性构型提出了一种新型三角形拉胀蜂窝，首先，作者采用3D打印技术制备了样品；其次，对样品进行了拉伸实验，并将三角形拉胀蜂窝结构的变形行为与有限元模拟预测进行了比较，结果表明该结构具有负泊松比和高刚度的特性，且比刚度值达到了0.12；最后，基于有限元模拟得到的结果，该新型三角蜂窝可以在两个正交方向上具有相同的行为，同时保持高刚度和负泊松比的特性。

图 1 基于反四手性构型提出的全三角形拉胀结构

图 2 三角形拉胀结构组成

图 3 三角形拉胀结构在3%拉伸应变前后的比较

图 4 仿真预测的三角形拉胀结构的泊松比和比刚度随角度的变化趋势

图 5 仿真预测的三角形拉胀结构的比刚度随厚度比的变化趋势

在该研究中，作者受反手性结构的启发，开发了一种三角形拉胀蜂窝结构以克服以往拉胀结构的低刚度、低强度和强各向异性等缺点。通过实验和数值方法对该结构的缺陷进行了评价，同时证明了该结构的泊松比可以通过改变几何参数来调整。基于有限元模拟结果， 揭示了获得不同泊松比结构的机理，并因此设计出了一种具有纵向和横向相同行为的新型三角形拉胀结构。新型三角形拉胀结构可以定制不同的泊松比，范围从-0.5 到正值 ，同时还能使结构保持良好的刚度，其中比刚度在纵向和横向方向上均大于 0.1。

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原始文献：Reza Jafari Nedoushan , Yongsan An , Woong-Ryeol Yu，et al.Novel triangular auxetic honeycombs with enhanced stiffness[J].Composite Structures，2021，277：114605.

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