Diseño de metamateriales mecánicos esponjosos biónicos ensamblables y características de resistencia a impactos

LIN Zhiqian ,  

XIONG Yile ,  

WANG Huiyun ,  

HU Dayong ,  

ZHANG Hongbo ,  

摘要

Los metamateriales mecánicos inspirados en la estructura del esqueleto de la esponja de vidrio de aguas profundas tienen un gran potencial en el campo de la protección contra impactos, pero los procesos actuales de fabricación presentan problemas como baja capacidad de ajuste estructural y funcionalidad limitada. Al combinar metamateriales esponjosos biónicos con metamateriales ensamblables, se diseñaron nuevos metamateriales mecánicos esponjosos biónicos ensamblables con unidades celulares completamente simétricas (Assembled Bionic Sponge Metamaterials, ABSM). Se seleccionó acero inoxidable 316L para fabricar tres tipos de muestras: ABSM sin bloqueo, ABSM con bloqueo y BSM integrado. Las placas se ensamblaron mediante el encaje mutuo entre placas horizontales, verticales e inclinadas, formando una estructura entrelazada estable que permite una fabricación rápida y sencilla de metamateriales esponjosos biónicos. Se estudió la capacidad de absorción de energía de las tres estructuras mediante ensayos de compresión cuasiestáticos y simulaciones numéricas por método de elementos finitos. Los resultados mostraron que la fuerza media de pandeo, la absorción específica de energía y la eficiencia de la fuerza de pandeo del ABSM con bloqueo aumentaron un 52,66 %, 18,94 % y 17,1 % respectivamente en comparación con el ABSM sin bloqueo; la introducción de la estructura de bloqueo produjo un comportamiento de doble meseta, apareciendo un efecto de coeficiente de Poisson negativo durante la deformación, lo que aumentó efectivamente la estabilidad y fortaleció la capacidad de absorción de energía; el método de diseño de ensamblaje propuesto proporciona un nuevo enfoque para la fabricación de metamateriales mecánicos esponjosos biónicos, beneficiando su aplicación futura en ingeniería práctica y ofreciendo nuevas vías para el desarrollo funcional futuro.

关键词

metamateriales mecánicos; esponja de vidrio de aguas profundas; diseño ensamblable; ensayo de compresión cuasiestática; simulación por elementos finitos; impacto dinámico

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