通讯作者介绍

杨帆 教授

同济大学航空航天与力学学院教授，博士生导师。长期从事先进材料和结构力学性能研究，在轻质结构防撞吸能及变形机理、纳晶金属变形与破坏、力学超材料承载-吸能-吸声多功能设计等方向取得了系列研究成果，研究成果在上海电气等企业界得到了应用，获得了一定社会效益。主持国家自然科学基金委面上项目、J委科技委基础研究计划项目子课题、上海市教委科研创新等项目。累计发表SCI学术论文近百篇。申请专利和软件著作权20余项。担任上海市力学学会固体力学专业委员会秘书长、中国机械工程学会表面工程分会表层改性专业技术委员会副秘书长等职务。获评上海市力学学会优秀青年学者奖。

第一作者介绍

郭正淼 硕士研究生

同济大学航空航天与力学学院硕士研究生。主要研究轻量化材料结构的设计与力学性能。相关成果以第一作者身份发表SCI论文2篇，获实用新型专利1项。

文章导读

点阵结构以轻质、高比机械性能和高设计灵活性为特点，已在航空航天、汽车工程等领域得到广泛应用。然而，点阵结构的轻量化设计通常会在强度和变形稳定性之间进行权衡。为了解决这个问题，该研究提出了一种仿生曲线-椭圆 (BCE) 点阵来提高三维点阵结构的力学性能和变形稳定性。

研究过程与结果

作者在文中提出了一种具有椭圆曲线的仿生点阵结构，将高承载能力和强变形稳定性相结合。图 1 所示 BCE 点阵结构的设计策略，其中曲线和椭圆特征分别受到动物脊柱和植物丝瓜瓤形状的启发。沿水平 (y_H) 和垂直 (y_V) 方向的余弦曲线分别以红色和蓝色显示。它们由以下公式给出：

图1. BCE 点阵结构的几何形状：(a) 设计策略，以及 (b) 三个示例。

文中以 A_H 表示余弦曲线沿水平方向的曲线幅度，而 A_V 表示余弦曲线沿垂直方向的曲线幅度。N_i 表示曲线的波峰数。L₀ 表示单胞的边长。椭圆的形状和尺寸完全由 A_i 和 N_i 决定，包含曲线和椭圆的二维单胞的尺寸保持在 10×10 mm。然后将二维单胞旋转90°并结合，形成尺寸为 10 × 10 × 10 mm 的三维胞元。包含 3 × 3 × 3 单胞阵列的点阵试样尺寸为 30 × 30 × 30 mm。图 1b 描述了 BCE 点阵的三个示例，分别表示为 BCE^NH1V1、BCE^NH2V2 和 BCE^NH3V3，其中 BCE^NH3V3 表示 N_H =3 和 N_V =3 的 BCE 点阵，依此类推。

为了验证所提出的 BCE 点阵结构的优势，建立了具有相同相对密度 (8%) 的传统弯曲主导点阵结构 (CirC 和 BCC) 和传统拉伸主导点阵结构 (Octet)，并与 BCE 进行了比较，如图2所示。BCE^NH2V2 结构在保持相对较高的应力响应的同时，呈现离域变形模式。在压缩过程中没有观察到应力突然下降。与传统结构相比，它同时具有高 SEA 和高 CFE 的优点。压缩性能的提高归因于 BCE 点阵结构的椭圆梁和弯曲梁组件之间的相互作用，导致在压缩过程中形成更多的塑性铰链和更均匀的应力分布，从而有效地利用材料，产生稳定的应力响应。BCE^NH3V3 结构表现出典型的拉伸主导的应力响应。它的特点是在弹性阶段应力迅速增加，呈现高刚度和高初始峰值应力。如图 2a 所示，BCE^NH3V3 的比刚度与 CirC 和 Octet 相比分别提高了 287.7% 和 57.1%。上述变形机制导致 BCE^NH3V3 结构的初始屈服应力较高，但 CFE 较低，表明变形稳定性较差。尽管如此，与传统的以拉伸为主的结构 Octet 相比，BCENH3V3 表现出卓越的能量吸收性能。尽管其变形模式的特点是逐层坍塌，但变形分布并不像 Octet 结构那样集中。在 BCE 结构崩溃期间，不同层级的组件参与承载，从而导致更高的整体应力响应。

图2. BCE 点阵与其他点阵结构的比较：(a) 压缩性能指标；(b) 应力-应变曲线；(c) 变形模式。

研究总结

本文提出了一种仿生曲线-椭圆点阵结构，以增强三维点阵结构的力学性能和变形稳定性。可以得出以下结论：

(1) 本文所提出的具有不同几何参数的 BCE 结构表现出不同的变形模式。通过调整曲线波纹的数量和幅度，可以实现稳定的离域变形模式，避免在压缩过程中发生灾难性的坍塌。所提 BCE 的 CFE 高于 Octet、CirC 和 BCC，分别提高了 34.9%、5.9% 和 15.8%。

(2) 本文所提出的 BCE 结构在 SEA 和比刚度方面表现出较高的性能。BCE 的 SEA 高于 Octet、CirC 和 BCC，分别增加了 48.5%、80.9% 和 297.6%，比刚度分别提高了 57.1%、287.7% 和 1516.9%。值得注意的是，BCE 结构可以在适当的几何参数下同时实现 SEA 和比刚度的增强。

(3) 波纹的数量 N 和幅值 A 是影响 BCE 结构压缩性能的重要参数。从参数分析结果来看，BCE 结构的变形模式对垂直支柱的波纹幅值和水平支柱的波纹数量最敏感。

综上所述，本文所提出的 BCE 点阵结构表现出优异的压缩性能和可控的变形模式，为设计高性能点阵结构提供了新的途径。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2926446

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2023 Impact Factor：3.1(JCR Q1*, Q2**)

2023 CiteScore：5.8

Time to First Decision：15.5 Days

Acceptance to Publication：3.4 Days

*JCR Q1 at “METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING”

**JCR Q2 at “MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY”