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三维复合材料变泊松比结构设计制备与力学性能研究

摘要

近年来，由于优越的性能和广泛的应用领域，学术界对负泊松比结构极为关注，

这推动了该领域的快速发展。由于纤维增强复合材料具有轻量化、高强度与比刚度高

以及设计灵活性等特点，已经在航空航天、工程机械等领域逐渐取代传统金属材料，

得到广泛应用。基于现有研究，本文提出了一种新型的复合材料变泊松比结构的概念。

本研究首先旨在通过创新性的设计提升结构的抗冲击性能。本文通过将具有正泊

松比的蜂窝结构与具有负泊松比的结构进行堆叠组装，形成一种新颖的复合材料变泊

松比结构。选用高性能碳纤维增强复合材料（CFRP）作为母材，并采用热模压成型工

艺制备所需的波纹板。随后，将波纹板切割成固定宽度的波纹条，通过堆叠组装形成

三维复合材料变泊松比结构。通过理论模型构建、有限元分析以及实验研究，探讨了

该结构的力学性能。研究表明，受压缩载荷作用时，正泊松比结构向两侧分离以扩大

受力面积，而负泊松比结构部分向中间聚集，提高了结构的抗压性能。随着应力的增

加，结构的泊松效应变得更为明显。不管结构梯度如何变化，正泊松比结构部分往往

率先发生破坏，待其被压溃后，负泊松比结构部分才会受损。最终，讨论了该结构的

吸能特性和压缩模量。

在本研究中，考虑到制备“稀疏型”三维复合材料变泊松比结构的挑战，我们进

行了结构的重新设计和简化。在第三章探讨低速冲击载荷作用下“稀疏型”结构的力

学性能，通过理论建模、有限元分析以及实验等手段，对该结构的力学响应进行了深

入分析。结果显示，在低速冲击载荷作用下，结构破坏形式与准静态压缩下的形式相

似，即正泊松比结构部分率先损坏，随后是负泊松比结构部分。结构在低速冲击载荷

下的泊松比特性显著。不过，和准静态单轴压缩试验相同的是，结构在实验过程中普

遍存在脱粘现象，这可能是由于结构的粘接面积较小所致。研究结果揭示了低速冲击

载荷作用下“稀疏型”结构的变形过程和破坏模式。

最后，将玻璃纤维复合材料引入，与碳纤维复合材料进行层间混杂铺层。采取了

两种不同的混杂铺层方式，以此来探究混杂铺层对结构力学性能的影响，并与由纯碳

纤维复合材料制备的结构进行性能对比。研究了在准静态单轴压缩载荷与低速冲击载

荷作用的三维混杂纤维复合材料变泊松比结构的力学性能。通过理论建模、有限元仿

真和实验相结合的方式，深入探究了结构的力学响应。研究结果表明，在相同铺层方

式下，NPN结构的吸能性能优于NP结构和PNP结构；在相同构型下，交替式铺层的

哈尔滨工程大学专业学位硕士论文

结构吸能性能略优于夹心式铺层，但两种混杂铺层方式均表现出比纯碳纤维结构更优

异的吸能性能。对于相同梯度变化的结构，C/G混杂比是影响压缩模量的主要原因。压

缩模量随碳纤维含量增加而增大。继续分析发现，夹心式铺层结构中的玻璃纤维对碳

纤维施加了法向应力，来防止碳纤维压溃破坏，因此，混杂纤维复合材料点的压缩强

度在数值上达到较高水平。

关键词：变泊松比；复合材料；混杂纤维；抗冲吸能

三维复合材料变泊松比结构设计制备与力学性能研究

Abstract

Inrecentyears,theacademiccommunityhaspaidgreatattentiontonegativePoissons

ratiostructuresduetotheirsuperiorperformanceandwiderangeofapplications,whichhas

promotedtherapiddevelopmentofthisfield.Duetothecharacteristicsoffiber-reinforced

compositematerialssuchaslightweight,highstrengthandspecificstiffness,anddesign

flexibility,theyhavegraduallyreplacedtraditionalmetalmaterialsinaeros