三維負泊松比織物結構的設計制造和變形機理研究.pdf

1、天然材料通常表現(xiàn)為正泊松比，即拉伸時材料變窄，壓縮時變寬。近幾十年來發(fā)現(xiàn)了一些具有負泊松比性能的材料，并于1991年被Evans等人命名為拉脹材料(Auxeticmaterial)，其泊松比的絕對值越大，負泊松比效應越明顯。研究發(fā)現(xiàn)，拉脹材料除具有負泊松比外，與傳統(tǒng)材料相比，還具有其他獨特性能，如剪切剛度、斷裂韌性、抗壓痕性、能量吸收能力（超聲波、聲、阻尼）等都有所提高。以上優(yōu)良的力學性能使得拉脹材料可望應用于航空航天、環(huán)保、生物醫(yī)學及

2、其他國防領域，從而使拉脹材料的開發(fā)和研究具有重要意義。
　　本課題旨在設計開發(fā)一種具有負泊松比效應的三維織物結構，研究其產(chǎn)生負泊松比的壓縮變形機理并討論其結構參數(shù)對負泊松比的影響。該結構包括經(jīng)紗、緯紗及捆綁紗，其結構特點是經(jīng)緯紗多層排列，不進行交織，層間垂直交叉排列，層內(nèi)紗線一隔一或完全平行排列，同時由織針在垂直于經(jīng)緯紗交叉排列平面的方向編織經(jīng)編編鏈結構形成捆綁紗。標記經(jīng)緯紗其中一組紗線一隔一排列的結構為結構A，經(jīng)緯紗同時一隔一排

3、列的結構為結構B。定義該織物的結構松弛率為理想狀態(tài)下即經(jīng)緯紗都完全平直情況下織物的厚度與下機后織物的厚度差占理想狀態(tài)下織物厚度的比例，則影響織物的相關結構參數(shù)有:經(jīng)緯紗半徑、不同層相鄰經(jīng)紗間的水平距離、不同層相鄰緯紗間的水平距離、經(jīng)緯紗彈性模量、結構松弛率。
　　本課題研究工作主要分為四部分:(1)設計一種具有負泊松比效應的三維織物結構，建立該結構的二維幾何模型，考察該結構中各參數(shù)對其泊松比性能的影響。制造三維織機實現(xiàn)以上結構的織

4、造。(2)通過手工和機械的方法編織出14種不同結構參數(shù)的試樣，并對以上試樣進行壓縮實驗測試，研究織物產(chǎn)生負泊松比的變形機理以及結構參數(shù)對負泊松比的影響。(3)根據(jù)經(jīng)典彈性理論和接觸理論建立該結構的二維力學模型，比較該模型所得結果與二維幾何模型及壓縮實驗結果的差別。(4)利用有限元分析方法建立該結構的有限元模型，討論其結果與二維力學模型及壓縮實驗結果的差別。
　　研究主要結論:
　　(1)三維織物結構在二維幾何原理上能夠展現(xiàn)負

5、泊松比效應。二維幾何模型表明，該結構的負泊松比隨著壓縮應變的增加而增加。該結構經(jīng)紗半徑增加，不同層相鄰經(jīng)紗間的水平距離減小，同時避免緯紗半徑及其結構松弛率過大就可得到負泊松比更明顯的織物。
　　(2)該類結構在一向具有負泊松比。結構在壓縮過程中產(chǎn)生負泊松比性能的原因是彎曲剛度大的一組紗線一隔一排列。手工編織試樣與三維織機織造試樣壓縮試驗對比發(fā)現(xiàn)，兩種編織方法得到的試樣都能使三維織物結構的展現(xiàn)負泊松比性能。但由于編織方法的不同，相同

6、編織參數(shù)織物的結構松弛率有所不同，其泊松比性能也有些微差異。經(jīng)紗半徑和不同層相鄰經(jīng)紗間的水平距離對織物泊松比的影響與二維幾何模型具有相同變化趨勢:隨著以上參數(shù)的增加織物負泊松比性能增加。但緯紗半徑對泊松比影響的變化趨勢則剛好相反。
　　(3)三維織物結構的二維力學模型計算結果與實驗結果顯示相同的變化趨勢，隨著壓縮應變的增加，結構的負泊松比效應愈加明顯。但其二維力學模型所得負泊松比略大于、受力明顯大于實驗結果。二維力學模型研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)

7、紗半徑的增加、緯紗半徑的減小，不同層相鄰經(jīng)紗間的水平距離的減小，經(jīng)紗彈性模量的增加，緯紗彈性模量的減小都使該結構負泊松比效應增加。結構松弛率的增加雖能增加結構的負泊松比性能，卻使結構的最大壓縮應變降低。
　　(4)有限元分析表明，以該結構的最小單元作為有限元模型足以模擬該結構的泊松比、受力狀況與壓縮應變的關系。結構A和結構B在結構參數(shù)相同時，具有幾乎相同的泊松比—壓縮應變曲線及受力—壓縮應變曲線。有限元模型中結構參數(shù)變化對結構泊松