学术前沿 | 一种新型抗手性互补平行四边形超材料单轴性能的设计、分析与优化

主要观点总结

本文介绍了一种基于反手性平行四边形（ACP）超材料的创新二维补体超材料。该材料具有特殊的力学变形机制和可调机械性能，在生物医学假肢、能量吸收和个人防护装备等方面具有潜在应用前景。文章详细描述了该超材料的设计原理、性能研究、优化过程、试验验证以及吸能性能评价。

关键观点总结

关键观点1: 创新二维补体超材料的设计

通过镜像平行四边形的两个平行韧带，在水平和垂直方向上设计创新二维补体超材料。该设计基于采用由平行韧带连接关节的旋转引起的结构手性变形机制。

关键观点2: 理论模型和数值模型的研究

采用理论模型和数值模型，对ACP超材料和辅助平行四边形蜂窝的面内等效力学性能进行参数化研究。初步分析表明ACP超材料在长度比、厚度比和倾角变化方面具有较低的相对密度、较高的柔韧性。

关键观点3: 多目标优化及结果

对新型ACP超材料进行多目标优化，寻求不同的最优设计。优化结果显示，在特定参数组合下，新型ACP超材料具有高的刚度和大变形能力。

关键观点4: 准静态压缩试验和吸能性能评价

通过准静态压缩试验验证优化后的压缩框架，并评价新型ACP超材料的吸能能力。研究发现，其吸能性能随着厚度t的增加而线性增加，厚度t对比角度θ对吸能性能的影响更大。

关键观点5: 应用前景和潜在影响

新的ACP超材料具有高的结构柔性灵活性，同时具有可调的刚度和负泊松比。其良好的力学性能可调性在生物医学工程、能量吸收能力和个人防护装备等方面具有潜在的应用前景。这种产生负泊松比效应的增塑型ACP超材料的新变形机制可能对新型增塑型材料和结构的发展具有重要意义。

文章预览

      通过在水平和垂直方向上镜像一个平行四边形的两个平行韧带，设计了一种创新的二维补体超材料。该超材料的结构是基于采用由平行韧带连接关节的旋转引起的结构手性变形机制。采用理论模型和数值模型，从公开文献中对这种反手性平行四边形(ACP)超材料和辅助平行四边形蜂窝的面内等效力学性能进行了参数化研究。采用NSGA-Ⅱ优化算法，确定了两类非量纲杨氏模量最大和泊松比最小的最优Pareto前沿。优化过程表明，新型ACP超材料在泊松比的特定范围内具有较大的刚度。在线性和非线性条件下进行了准静态压缩试验，并进行了有限元模拟，以验证最优配置的结果。在不同的参数组合下，对新型ACP超材料的吸能性能进行了评价。这种新材料具有良好的机械性能可调性，在一般生物医学假肢和能量吸收方面具有潜在的工程应用前景。       ………………………………