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Deformation behaviors and energy absorption characteristics of a hollow re-entrant auxetic lattice metamaterial

辅助 超材料 材料科学 参数统计 格子(音乐) 有限元法 吸收(声学) 结构工程 机械 机械工程 复合材料 声学 物理 光电子学 工程类 数学 统计
作者
Sicong Zhou,Hua Liu,Jingxuan Ma,Xianfeng Yang,Jialing Yang
出处
期刊:Aerospace Science and Technology [Elsevier BV]
卷期号:142: 108583-108583 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.ast.2023.108583
摘要

Designing innovative architected metamaterials with enhanced energy absorption is a long-term pursuit to provide impact protection capacity for human beings and crucial structural components. Numerous natural materials prove that hollow structures present unique combinations of mechanical properties and functionalities with minimal weight cost. Therefore, a novel 3D hollow re-entrant auxetic (HRA) lattice metamaterial is proposed to improve the energy absorption capacity. To investigate the mechanical properties of the HRA lattices, an analytical model based on plastica theory is established to predict the crushing force. The energy absorption behaviors of the HRA lattices under quasi-static crushing load are studied based on finite element method, and the analytical predictions are in good agreement with the numerical simulation results. The analytical model can be used to optimize the appropriate design parameters of the HRA lattice and explain the simulation results in the parametric studies. Compared with the solid re-entrant auxetic (SRA) lattice with the same density, specific energy absorption of the HRA lattice can be improved by up to 27.43%. Finally, a parametric investigation is carried out to comprehend the influences of the length-to-height ratio, the re-entrant angle, the width-to-height ratio, and the wall thickness-to-height ratio on the energy absorption capacity of the HRA lattices. According to various energy absorption demands, the HRA lattices with different energy absorption properties can be designed by tuning these design parameters. This concept of building hollow auxetic lattice metamaterials can open up a new solution to design metamaterials with negative Poisson's ratio effects and enhanced energy absorption for potential engineering applications.
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