Page 207 - 《振动工程学报》2026年第5期

=−0.3
=−0.5
=−0.9
力
位移
第 5 期 吴少培，等：负泊松比超材料的拓扑优化设计及减振性能试验研究 结构 1411

较厚的结构提供了更大的受力截面和材料体积，在
80 v=−0.3
压缩过程中储存更多的应变能量，从而产生更高的 v=−0.5
v=−0.9
抵抗变形能力。较厚的结构延缓了局部屈曲或材料 60
失效的发生，使得能量吸收过程更加稳定和有效。 力 / N 40

表 3 不同厚度下 2×2 结构的吸能及比吸能 20
Tab. 3 Energy absorption and specific energy absorption of the
2×2 structure under different thicknesses 0 2 4 6 8 10

位移 / mm
−1
结构厚度/mm 结构质量/g 吸能/mJ 比吸能/(J·kg ) (b) 4×4结构
15 19 10.96 0.58 (b) 4×4 configuration

20 25 15.48 0.62
图 16 周期序列结构的滞回曲线
25 31 20.16 0.65
Fig. 16 Hysteresis curves of periodic sequence structures

3.3 不同负泊松比对应结构下的吸能性能分析 表 4 不同负泊松比下周期序列结构的吸能及比吸能
Tab. 4 Energy absorption and specific energy absorption of
在负泊松比值为−0.3、−0.5 和−0.9 对应的 2×2 和 periodic sequence structures under different negative
4×4 结构下探究不同负泊松比值对应结构的吸能性 Poisson’s ratios

能， 结 构 厚 度 均 为 20 mm， 三 维 模 型 如 图 15 所 示 。 结构类型 负泊松比 结构质量/g 吸能/mJ 比吸能/(J·kg )
−1
在 2×2 和 4×4 结构下，分别施加 5 mm 和 10 mm 位移 ν = −0.3 25 15.48 0.62
2×2结构 ν = −0.5 28 26.07 0.93
载荷，其对应的力-位移曲线如图 16 所示，结构吸能
ν = −0.9 25 6.07 0.24
及比吸能如表 4 所示。 ν = −0.3 97 37.53 0.62

4×4结构 ν = −0.5 75.3 56.70 0.75

ν = −0.9 99 17.26 0.24
B
2×2 B B
结构 加 10 mm 位移载荷时，负泊松比值为−0.5 的结构不
A
A A 仅维持了较高的吸能性能，而且比吸能显著提高，表
现出较强的能量耗散能力。与 结
D 2×2 结构相比，4×4
D D
C 构能有效地分散外部载荷并吸收更多的能量。
C
C
4×4
B 综上分析，负泊松比值为−0.5 且采用 4×4 排列的
结构 B B
A
A A 结构设计，能够实现更高效的能量吸收。

v=−0.3 v=−0.5 v=−0.9

图 15 不同负泊松比下的周期序列结构 4 负 泊 松 比 超 材 料 结 构 的 动 力 学 性 能
Fig. 15 Periodic sequence structures under different negative
及 减 振 特 性 研 究
Poisson’s ratios

从滞回曲线和吸能数据可知，负泊松比值为−0.5
4.1 试验设备及模型制备
的 2×2 和 4×4 结 构 在 吸 能 性 能 上 均 表 现 出 显 著 优
势。在 2×2 结构施加 5 mm 位移载荷时，负泊松比值 本试验由激励控制器、功率放大器、激振器、加
为−0.5 的结构的吸能能力明显优于−0.3 和−0.9 的结 速度传感器、数据采集器和数据保存设备形成完整
构。这一现象在 4×4 结构中得到了进一步验证，施 的振动测试平台。试验过程中，激励控制器生成设
定的激励信号，并通过功率放大器将放大后的信号

50
v=−0.3
v=−0.5 传递至激振器。
40 v=−0.9 激振器根据激励控制器输入的信号产生相应的
力 / N 30 振动，驱动负泊松比结构。加速度传感器实时采集
结构在振动激励下的响应数据，并将采集到的信号
20
传输至数据采集仪，随后传输到电脑端进行存储。
10
最终，通过专业的数据处理软件对试验数据进行分
0 2 4 6 析和处理，提取振动响应特性和减振性能指标。试
位移 / mm
(a) 2×2结构 验设备及工作流程如图 17 所示。
(a) 2×2 configuration 以 结构为例，如图 所示，模型由负泊松比
3×4 18
=−0.3
=−0.5
=−0.9

力

位移
结构