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新型折纸结构的运动特征及力学响应

何玉龙  王志华  树学峰  张培文  刘英志  王海任  侯祥龙  
【摘要】:折纸结构具有负泊松比、负刚度等非常规力学性能。近年来,折纸结构作为一种轻量化、可折叠材料已广泛应用于工程领域。然而,目前绝大部分的研究采用不考虑材料变形的刚性平面和弹性铰链铰接模型来分析和预测折纸结构的空间运动和力学响应。为了探究折纸结构在冲击荷载下的力学响应,本文在考虑材料属性和变形屈曲的条件下分析了弧形折纸结构所衍生出的新型折纸结构的力学响应。由于该结构中引入了四棱柱管,其相对于传统三浦折纸结构变形更容易控制且出现了多个应力平台。本文采用了理论分析与数值模拟的方法分析了准静态轴向压缩下该折纸结构在不同拼接方式下的力学响应,对比了不同厚度、速度和角度对该折纸结构的空间运动特征和力-位移曲线的影响。理论分析结果表明"泊松比"不仅与折痕的几何参数相关,而且与方向的选取密切相关。准静态轴向压缩下数值模拟结果表明:(1)当初始角?达到一定范围时,随着速度增大,该结构变形模式由对称变形模式变为非对称变形模式。(2)随着初始角?增大,该结构由单稳态变为双稳态,且由于材料变形的影响其稳态规律与刚体铰链连接假设下的稳态结果不同。(3)该折纸结构的厚度,角度及初始预折角都会影响其应力平台的变化,这为应力平台及能量吸收的可控调节提供了有效的途径。

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