新型混合弧形负泊松比蜂窝的面内冲击响应

近日，上海工程技术大学NVH团队联合蚌埠学院团队和国防科技大学团队在期刊Physica Status Solidi (b) – Basic Solid State Physics (PSSB) （中科院四区期刊，影响因子1.78）发表文章 In-Plane Crushing Response of a Novel Arc-Curved Hybrid Honeycomb with Negative Poisson’s Ratio。文章通过结合星型结构、手性结构和弧形弯曲构型，提出了一种新型的混合型负泊松比蜂窝，基于准静态压缩实验和有限元分析方法，对结构的能量吸收性能和变形机制进行了分析，揭示了结构参数和梯度设计对吸能性能的影响规律。该结构的设计理念可以为具有优异吸能性能蜂窝的设计提供参考，从而促进负泊松比蜂窝的推广应用。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/pssb.202400086?saml_referrer

1. 内容摘要

蜂窝材料因其在比强度/刚度、能量吸收等方面的优异性能而被广泛应用于航空航天、体育和汽车等领域。当前，为使工程设备能够更好地适应恶劣的工作环境，研究者正不断对负泊松比超材料结构的改进和设计进行探索，以期获得具有更优异性能的新型超材料结构。然而，该种结构的构型也往往会更加复杂，胞壁之间相互连接的节点数目也会更多。冲击载荷作用下，一些胞壁相互连接的部位由于应力集中的影响，可能会承受更高的压力，从而容易发生断裂失效。将弧形结构融入负泊松比蜂窝中，可以使其内部载荷分布均匀，降低应力集中，避免断裂。通过结合手性蜂窝（Chiral honeycomb, CH）、星形蜂窝（Star-shaped honeycomb, SSH）和弧形弯曲构型，提出一种弧形弯曲手性星形蜂窝（Arc-curved chiral star-shaped honeycomb, ACSH），并对其冲击响应进行实验和仿真分析。为揭示变形机理，对3D打印制备的ACSH样件进行准静态压缩实验。随后，将ACSH的耐撞性与其他蜂窝进行比较，并发现，在2m/s的冲击速度下，ACSH的比吸能比传统星型结构高179%。此外，综合分析功能梯度设计和结构参数对耐撞性的影响，揭示出结构变形模式和能量吸收性能的可调节性。

2. 图文解析

2.1 结构模型的建立

受生物体的外壳启发，用于增加结构强度或减少局部应力的弯曲形或正弦形构型已被应用于建筑和航空航天领域的结构设计之中。本文将手性蜂窝的四个倾斜胞壁与星型蜂窝的四个角连接，并引入弧形弯曲构型，提出了一种新型混合蜂窝（ACSH），其结构参数及设计思路如图1所示。    

图1 结构参数和设计思路：a）存在于生物体、建筑和航空航天中的弯曲形结构；b-g）SSH、CH、ASSH、ACH、CSH和ACSH的结构参数

2.2 准静态压缩实验和有限元模型验证

具有良好强度和韧性的尼龙（PA）被选为结构的基体材料，并通过3D打印技术制作了ACSH的样件。根据拉伸实验结果，可以得到基体材料的力学性能参数。如图2所示，为获得结构的冲击响应，在万能试验机上进行了准静态压缩实验。其中，ACSH样件放置在固定板和压缩板之间，压缩板的压缩速度（v）设置为2mm/min。  

图2 准静态压缩实验设置

通过实验和仿真获得的ACSH的冲击响应，如图3所示。ACSH的整体变形模式是嵌套在ACSH中子结构相互间的耦合变形。在压缩过程中，由于负泊松比效应，整个结构表现出明显的水平收缩变形。当应变很小（ε = 0.1）时，结构的倾斜胞壁会发生轻微的弯曲变形，且圆环也会发生逆时针旋转。随着应变的增加，ACH的四个弧形胞壁在圆环周围进一步弯曲。同时，ASSH的倾斜胞壁会继续弯曲直到相邻的倾斜韧带相互接触。之后，随着应变的进一步增加，垂直韧带也会开始弯曲。实验和仿真获得的变形模式、应力-应变曲线和泊松比-应变曲线相一致，因此，有限元模型准确度较高，可用于下面更进一步的分析。

图3 ACSH的实验和仿真结果对比：a）整体变形模式；b）结构单元的变形模式；c）应力-应变曲线；d）泊松比-应变曲线

2.3 与其他结构吸能性能的对比

冲击速度为2m/s时，SSH和ASSH的整体变形模式呈现出明显的 “凸起效应”（图4a）。相反，CSH和ACSH具有更稳定的变形模式和明显的负泊松比效应，导致其比吸能（SEA）和平台应力（σ ̅）更高（图4a-c）。CSH和ACSH均呈现出四个变形阶段，包括弹性阶段、第一平台阶段、第二平台阶段和致密化阶段。ACSH的第一平台应力（σ1）和第二平台应力（σ2）分别为0.52 MPa和1.28 MPa，第二平台应力是第一次平台应力的1.46倍。此外，由于引入了弧形弯曲构型，ASSH和ACSH的初始峰值应力（σp）和致密化应变均分别低于SSH和CSH（图4b，c）。其中，ACSH的初始峰值应力比CSH低38%，ACSH的平台应力和SEA分别比SSH高376%和179%。因此，圆弧型胞壁的引入可以有效降低结构的初始峰值应力。 

综上所述，相比于其他结构，ACSH 具有较低的初始峰值应力、更强的能量吸收能力、更明显的负泊松比效应和更稳定的变形模式。此外，ACSH 还有双平台变形阶段，因此可以用作具有多种防护需求物体的保护装置，例如汽车吸能盒等。

             图4 ACSH和其他蜂窝的冲击响应（v = 2m/s）：a）变形模式；b）应力-应变曲线；c）平台应力、初始峰值应力和SEA

2.4 梯度率对冲击响应的影响

图5展示了梯度率（λ）对应力-应变曲线、初始峰值应力、SEA-应变曲线和泊松比-应变曲线的影响。在压缩过程中，引入了厚度梯度的ACSH逐渐从壁厚较薄的单元向厚度较厚的单元变形。随着λ的减小，冲击板附近单元的壁厚较低，导致σp的减小，σp的最小值可比最大值低75%（图5b）。因此，该结构受到冲击时，可防止应力超过危险阈值，从而可以应用于汽车吸能盒，以免在车祸中对乘客造成致命伤害。 

图5 梯度率对冲击响应的影响：a、b) 应力-应变曲线和σp；c) SEA-应变曲线；d) 泊松比-应变曲线

3. 结论

综上所述，本文在 CSH 的基础上，引入了两种圆弧构型，提出了一种新型结构 (ACSH)，通过实验和仿真对其能量吸收机理进行了研究。弧形结构的引入可以有效降低应力集中和初始峰值应力，且由于ASSH和ACH的耦合变形，ACSH形成了额外的塑性铰链，使其在动态冲击过程中表现出良好的能量吸收能力。通过合理地调节结构参数和引入梯度设计，可以大大优化ACSH的耐撞性。本研究有助于促进具有更强耐撞性的负泊松比蜂窝的推广应用。