近日，上海工程技術(shù)大學(xué)NVH團(tuán)隊(duì)聯(lián)合蚌埠學(xué)院團(tuán)隊(duì)和國(guó)防科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)在期刊Physica Status Solidi (b) – Basic Solid State Physics (PSSB) （中科院四區(qū)期刊，影響因子1.78）發(fā)表文章 In-Plane Crushing Response of a Novel Arc-Curved Hybrid Honeycomb with Negative Poisson’s Ratio。文章通過結(jié)合星型結(jié)構(gòu)、手性結(jié)構(gòu)和弧形彎曲構(gòu)型，提出了一種新型的混合型負(fù)泊松比蜂窩，基于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和有限元分析方法，對(duì)結(jié)構(gòu)的能量吸收性能和變形機(jī)制進(jìn)行了分析，揭示了結(jié)構(gòu)參數(shù)和梯度設(shè)計(jì)對(duì)吸能性能的影響規(guī)律。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念可以為具有優(yōu)異吸能性能蜂窩的設(shè)計(jì)提供參考，從而促進(jìn)負(fù)泊松比蜂窩的推廣應(yīng)用。

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1. 內(nèi)容摘要

蜂窩材料因其在比強(qiáng)度/剛度、能量吸收等方面的優(yōu)異性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天、體育和汽車等領(lǐng)域。當(dāng)前，為使工程設(shè)備能夠更好地適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，研究者正不斷對(duì)負(fù)泊松比超材料結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和設(shè)計(jì)進(jìn)行探索，以期獲得具有更優(yōu)異性能的新型超材料結(jié)構(gòu)。然而，該種結(jié)構(gòu)的構(gòu)型也往往會(huì)更加復(fù)雜，胞壁之間相互連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)目也會(huì)更多。沖擊載荷作用下，一些胞壁相互連接的部位由于應(yīng)力集中的影響，可能會(huì)承受更高的壓力，從而容易發(fā)生斷裂失效。將弧形結(jié)構(gòu)融入負(fù)泊松比蜂窩中，可以使其內(nèi)部載荷分布均勻，降低應(yīng)力集中，避免斷裂。通過結(jié)合手性蜂窩（Chiral honeycomb, CH）、星形蜂窩（Star-shaped honeycomb, SSH）和弧形彎曲構(gòu)型，提出一種弧形彎曲手性星形蜂窩（Arc-curved chiral star-shaped honeycomb, ACSH），并對(duì)其沖擊響應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真分析。為揭示變形機(jī)理，對(duì)3D打印制備的ACSH樣件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。隨后，將ACSH的耐撞性與其他蜂窩進(jìn)行比較，并發(fā)現(xiàn)，在2m/s的沖擊速度下，ACSH的比吸能比傳統(tǒng)星型結(jié)構(gòu)高179%。此外，綜合分析功能梯度設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)耐撞性的影響，揭示出結(jié)構(gòu)變形模式和能量吸收性能的可調(diào)節(jié)性。

2. 圖文解析

2.1 結(jié)構(gòu)模型的建立

受生物體的外殼啟發(fā)，用于增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或減少局部應(yīng)力的彎曲形或正弦形構(gòu)型已被應(yīng)用于建筑和航空航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中。本文將手性蜂窩的四個(gè)傾斜胞壁與星型蜂窩的四個(gè)角連接，并引入弧形彎曲構(gòu)型，提出了一種新型混合蜂窩（ACSH），其結(jié)構(gòu)參數(shù)及設(shè)計(jì)思路如圖1所示。    

圖1 結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計(jì)思路：a）存在于生物體、建筑和航空航天中的彎曲形結(jié)構(gòu)；b-g）SSH、CH、ASSH、ACH、CSH和ACSH的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和有限元模型驗(yàn)證

具有良好強(qiáng)度和韌性的尼龍（PA）被選為結(jié)構(gòu)的基體材料，并通過3D打印技術(shù)制作了ACSH的樣件。根據(jù)拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到基體材料的力學(xué)性能參數(shù)。如圖2所示，為獲得結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。其中，ACSH樣件放置在固定板和壓縮板之間，壓縮板的壓縮速度（v）設(shè)置為2mm/min。  

圖2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)設(shè)置

通過實(shí)驗(yàn)和仿真獲得的ACSH的沖擊響應(yīng)，如圖3所示。ACSH的整體變形模式是嵌套在ACSH中子結(jié)構(gòu)相互間的耦合變形。在壓縮過程中，由于負(fù)泊松比效應(yīng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的水平收縮變形。當(dāng)應(yīng)變很?。é?= 0.1）時(shí)，結(jié)構(gòu)的傾斜胞壁會(huì)發(fā)生輕微的彎曲變形，且圓環(huán)也會(huì)發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。隨著應(yīng)變的增加，ACH的四個(gè)弧形胞壁在圓環(huán)周圍進(jìn)一步彎曲。同時(shí)，ASSH的傾斜胞壁會(huì)繼續(xù)彎曲直到相鄰的傾斜韌帶相互接觸。之后，隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增加，垂直韌帶也會(huì)開始彎曲。實(shí)驗(yàn)和仿真獲得的變形模式、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和泊松比-應(yīng)變曲線相一致，因此，有限元模型準(zhǔn)確度較高，可用于下面更進(jìn)一步的分析。

圖3 ACSH的實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比：a）整體變形模式；b）結(jié)構(gòu)單元的變形模式；c）應(yīng)力-應(yīng)變曲線；d）泊松比-應(yīng)變曲線

2.3 與其他結(jié)構(gòu)吸能性能的對(duì)比

沖擊速度為2m/s時(shí)，SSH和ASSH的整體變形模式呈現(xiàn)出明顯的 “凸起效應(yīng)”（圖4a）。相反，CSH和ACSH具有更穩(wěn)定的變形模式和明顯的負(fù)泊松比效應(yīng)，導(dǎo)致其比吸能（SEA）和平臺(tái)應(yīng)力（σ ?）更高（圖4a-c）。CSH和ACSH均呈現(xiàn)出四個(gè)變形階段，包括彈性階段、第一平臺(tái)階段、第二平臺(tái)階段和致密化階段。ACSH的第一平臺(tái)應(yīng)力（σ1）和第二平臺(tái)應(yīng)力（σ2）分別為0.52 MPa和1.28 MPa，第二平臺(tái)應(yīng)力是第一次平臺(tái)應(yīng)力的1.46倍。此外，由于引入了弧形彎曲構(gòu)型，ASSH和ACSH的初始峰值應(yīng)力（σp）和致密化應(yīng)變均分別低于SSH和CSH（圖4b，c）。其中，ACSH的初始峰值應(yīng)力比CSH低38%，ACSH的平臺(tái)應(yīng)力和SEA分別比SSH高376%和179%。因此，圓弧型胞壁的引入可以有效降低結(jié)構(gòu)的初始峰值應(yīng)力。 

綜上所述，相比于其他結(jié)構(gòu)，ACSH 具有較低的初始峰值應(yīng)力、更強(qiáng)的能量吸收能力、更明顯的負(fù)泊松比效應(yīng)和更穩(wěn)定的變形模式。此外，ACSH 還有雙平臺(tái)變形階段，因此可以用作具有多種防護(hù)需求物體的保護(hù)裝置，例如汽車吸能盒等。

             圖4 ACSH和其他蜂窩的沖擊響應(yīng)（v = 2m/s）：a）變形模式；b）應(yīng)力-應(yīng)變曲線；c）平臺(tái)應(yīng)力、初始峰值應(yīng)力和SEA

2.4 梯度率對(duì)沖擊響應(yīng)的影響

圖5展示了梯度率（λ）對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線、初始峰值應(yīng)力、SEA-應(yīng)變曲線和泊松比-應(yīng)變曲線的影響。在壓縮過程中，引入了厚度梯度的ACSH逐漸從壁厚較薄的單元向厚度較厚的單元變形。隨著λ的減小，沖擊板附近單元的壁厚較低，導(dǎo)致σp的減小，σp的最小值可比最大值低75%（圖5b）。因此，該結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時(shí)，可防止應(yīng)力超過危險(xiǎn)閾值，從而可以應(yīng)用于汽車吸能盒，以免在車禍中對(duì)乘客造成致命傷害。 

圖5 梯度率對(duì)沖擊響應(yīng)的影響：a、b) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線和σp；c) SEA-應(yīng)變曲線；d) 泊松比-應(yīng)變曲線

3. 結(jié)論

綜上所述，本文在 CSH 的基礎(chǔ)上，引入了兩種圓弧構(gòu)型，提出了一種新型結(jié)構(gòu) (ACSH)，通過實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)其能量吸收機(jī)理進(jìn)行了研究?；⌒谓Y(jié)構(gòu)的引入可以有效降低應(yīng)力集中和初始峰值應(yīng)力，且由于ASSH和ACH的耦合變形，ACSH形成了額外的塑性鉸鏈，使其在動(dòng)態(tài)沖擊過程中表現(xiàn)出良好的能量吸收能力。通過合理地調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)和引入梯度設(shè)計(jì)，可以大大優(yōu)化ACSH的耐撞性。本研究有助于促進(jìn)具有更強(qiáng)耐撞性的負(fù)泊松比蜂窩的推廣應(yīng)用。