PXCM相变细胞材料Abaqus模拟:加卸载过程分析

1双稳态结构

双稳态(Bistable)结构,顾名思义,是有两种稳定状态的结构,由于其内部存在弹性铰,结构整体上可以表现出机构的特点,另外,很多机构的设计也会追求这种双稳态特性,所以有时把这种结构或机构统称为双稳态顺应性机构。

通过外力作用,双稳态结构可以在两种稳定状态之间转变,稳定意味着这种转变不会自发地出现。

【双稳态结构】PXCM相变细胞材料加、卸载过程Abaqus模拟的图1

双稳态结构示例



生活中比较常见的弹力发卡、单车支架脚,瓶盖(某些饮料或洗发露产品)、折叠盆、还有十年前流行的翻盖手机等,都有双稳态特性。

【双稳态结构】PXCM相变细胞材料加、卸载过程Abaqus模拟的图2

双稳态力学系统与生活中的案例


通过对弹性铰的几何、刚度参数进行调整,可以制造出双稳态或亚稳态(Metastable)细胞,将这些细胞阵列起来,得到的结构具有优良的隔震、吸能效果,与传统的蜂窝材料相比,具有很强的可恢复性。


在外界载荷作用下,细胞会经历状态的转变,并耗散掉冲击能量,有些文献将微观的相变概念扩展到此宏观细胞材料之中,并称之为相变细胞材料(PXCM)。

【双稳态结构】PXCM相变细胞材料加、卸载过程Abaqus模拟的图3

相变细胞材料的加、卸载试验



2Abaqus有限元模拟

最近几年,有不少关于PXCM的基础研究文献,下面的案例物理模型源自于普渡大学Pablo研究小组2019年发表的一篇Nature,文章对几种不同的PXCM结构设计进行了研究,应**博士的需求,我对其中一个结构的弹性铰失稳以及整体结构0°/45°的加、卸载过程进行了Abaqus有限元模拟复现。

【双稳态结构】PXCM相变细胞材料加、卸载过程Abaqus模拟的图4

双层余弦梁弹性铰



A弹性铰失稳

拱形弹性结构受压失稳过程中会突然翻转,如果使用静力学来计算失稳,必须用位移来控制加载(输出RF),或者采用弧长法(输出LPF),除此之外,还可以采用动力学方法来模拟这个过程。

【双稳态结构】PXCM相变细胞材料加、卸载过程Abaqus模拟的图5

算法对比


计算结果表明,隐式动力学和静力学、弧长法给出的结果基本完全一样。显式算法捕捉到了一些高频振动,载荷-位移曲线与其它方法整体一致。


B整体加、卸载

为提高结构的可恢复性,整体模型弹性铰几何参数略有改变,对其加、卸载考虑了两个比较特殊的方向,即0°(由于结构对称性,0°-水平和90°-竖直方向的力学行为一致)和45°(对角线方向),输出加、卸载的载荷-位移曲线,可以看到局部失稳导致的载荷波动。

【双稳态结构】PXCM相变细胞材料加、卸载过程Abaqus模拟的图6

0°加卸载曲线



【双稳态结构】PXCM相变细胞材料加、卸载过程Abaqus模拟的图7

45°加卸载曲线


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