導(dǎo)讀

        在輕量化設(shè)計的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高效的吸能，一直是先進(jìn)工程和應(yīng)用科學(xué)研究的熱點(diǎn)。夾層結(jié)構(gòu)作為薄壁結(jié)構(gòu)的一種典型類型，由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、比吸能性能和多功能等特點(diǎn)，受到越來越多的關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用于眾多工程領(lǐng)域。近十年來，對傳統(tǒng)蜂窩、泡沫、波紋和格子芯的夾層結(jié)構(gòu)在低速高應(yīng)變率彈道沖擊、空氣沖擊、水下爆炸等條件下的抗沖擊和動力破壞進(jìn)行了大量研究。實(shí)驗(yàn)研究表明，傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)的吸能機(jī)制主要依靠大塑性變形來實(shí)現(xiàn)高動能耗散。這種原理通常會在初始沖擊后導(dǎo)致巨大的材料損壞或整體結(jié)構(gòu)破壞，這不可避免地破壞了承載能力，幾乎不能用于承受多次或重復(fù)的沖擊載荷。然而，作為一種典型且頻繁發(fā)生的沖擊案例，反復(fù)動載荷作用下的問題對于永久變形和剩余力學(xué)性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。如何設(shè)計新型的能量吸收結(jié)構(gòu)，以有效地減輕重復(fù)沖擊載荷下的動能仍然是一個挑戰(zhàn)，一直備受關(guān)注。然而，到目前為止，對負(fù)剛度結(jié)構(gòu)在重復(fù)沖擊載荷下的動態(tài)響應(yīng)的研究還很少。這種新型人工結(jié)構(gòu)在高應(yīng)變率影響下的動態(tài)失效機(jī)制和速率依賴性仍有待探索。實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用的能量吸收和減輕重復(fù)的沖擊負(fù)荷仍然是一個挑戰(zhàn)。

       2023年，《Composites Science and Technology》期刊發(fā)表了西北工業(yè)大學(xué)在3D打印負(fù)剛度超夾層結(jié)構(gòu)在重復(fù)沖擊載荷下的動態(tài)失效方面的研究工作，論文標(biāo)題為“Dynamic failure of 3D printed negative-stiffness meta-sandwich structures under repeated impact loadings”。

在該研究中，作者通過引入雙彎梁向輕型夾層板穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的設(shè)計理念，設(shè)計和制造了幾種負(fù)剛度超夾層結(jié)構(gòu)（NSMSs）。實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)了在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和重復(fù)高應(yīng)變率沖擊下可重復(fù)使用的能量吸收特性。應(yīng)用選擇性激光燒結(jié)（SLS）3D打印技術(shù)制備了玻璃纖維增強(qiáng)（GFR）尼龍NSMSs復(fù)合材料。通過理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)地研究了新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在重復(fù)沖擊載荷作用下的速率依賴性動態(tài)緩解和失效機(jī)理。

 內(nèi)容簡介

圖1通過SLS 3D打印制備的NSMS的示意圖

圖2(a)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和有限元模型；(b)SHPB實(shí)驗(yàn)設(shè)置的原理圖；(c)SHPB中的應(yīng)力波分析；(d)蜂窩結(jié)構(gòu)HB-1；(e)SHPB與NSMS的FEA模型

圖3(a)NSMSs中雙彎曲梁的變形模型和(b)力-位移分布分析；(c)吸收能量的理論曲面圖和(d)不同h的釋放能量

圖4(a)實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬了不同NSMS樣品在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的力-位移分布；(b)實(shí)驗(yàn)測量的和(c)數(shù)值模擬的樣品II的變形模式

在SHPB試驗(yàn)下，應(yīng)變計A和應(yīng)變計B捕獲的典型信號如圖5(a)。結(jié)果表明，整個沖擊響應(yīng)可分為兩個階段。第一階段：初始入射波I下的動態(tài)壓縮，其中入射波I和反射波I均由一對應(yīng)變計（綠色陰影）測量；第二階段：反射入射波（入射波II，藍(lán)色陰影）下的第二輪動態(tài)壓縮。初始狀態(tài)（S0）、階段I（S1）和階段II（S2）之后的結(jié)構(gòu)變形由高速攝像機(jī)捕獲，并顯示在圖5(a)中。NSMS樣品從S0變形為S2，其內(nèi)部的雙彎曲梁具有穩(wěn)態(tài)變換。為了找到臨界沖擊速度，逐步增加一系列沖擊能量，進(jìn)行重復(fù)沖擊試驗(yàn)。幾個具有代表性的隨沖擊速度遞增的入射信號如圖5(b)所示。NS-1相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變分布由式(1)得到，如圖5(c)所示。不同沖擊速度下的變形和破壞模式的高速快照如圖5(c)所示。從變形模式可以看出，對于NS-1，沖擊4(沖擊速度5 m/s)可視為一次臨界沖擊，在此沖擊下，結(jié)構(gòu)的一層發(fā)生臨界破壞。同樣，對NS-2和NS-3試樣分別選取6.2 m/s和6.8 m/s的臨界沖擊速度。圖5(d)比較了不同沖擊速度下的初始峰值應(yīng)力σcr和對應(yīng)的應(yīng)變εcr(見圖5(c))，反映了應(yīng)變速率對動態(tài)響應(yīng)的影響。隨著應(yīng)變率的增加，初始峰值應(yīng)力σcr和相應(yīng)的應(yīng)變εcr均呈增加趨勢。

圖5(a)SHPB試驗(yàn)獲得的電壓信號；(b)應(yīng)變計A捕獲的入射波信號；(c)不同沖擊速度下不同沖擊載荷下NS-1結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力-應(yīng)變分布；(d)應(yīng)變率對初始峰值應(yīng)力σcr及相應(yīng)應(yīng)變εcr的影響

總體而言，高應(yīng)變速率下NSMSs的應(yīng)力-應(yīng)變分布大致可分為彈性階段、平臺階段和致密階段，如圖6(a)所示，與泡沫多孔結(jié)構(gòu)相似。NS-1結(jié)構(gòu)四次沖擊實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與公式(15)預(yù)測的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比如圖6(c)所示。結(jié)果表明，彈性階段和致密階段的理論曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。在平臺階段，理論曲線的總體趨勢與實(shí)驗(yàn)曲線相對匹配，盡管穩(wěn)態(tài)模態(tài)轉(zhuǎn)換引起了波動。但式(15)的預(yù)測公式能夠更好地降低NSMS的壓縮力學(xué)行為。

圖6(a)NSMS樣品的典型應(yīng)力-應(yīng)變分布；(b)由n層雙彎曲梁組成的NSMS的示意圖；(c)理論預(yù)測和實(shí)驗(yàn)測量的NS-1結(jié)構(gòu)在四次沖擊下的應(yīng)力-應(yīng)變分布

圖7為NS-1和蜂窩結(jié)構(gòu)在SHPB沖擊下的數(shù)值模擬變形過程。從仿真結(jié)果中得出了與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果相同的結(jié)論。對于NSMS的NS-1試件，最大變形階段的最大應(yīng)力局限在下部雙曲梁(圖7(a))，而上部雙曲梁的應(yīng)力則小得多，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。而蜂窩結(jié)構(gòu)在最大變形階段各層應(yīng)力均最大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞(如圖7(b)所示)。有限元分析進(jìn)一步驗(yàn)證了NSMSs在抗重復(fù)沖擊載荷方面表現(xiàn)出的更優(yōu)異的潛力。

圖7(a) NSMS和(b)蜂窩結(jié)構(gòu)的變形模式和失效過程的數(shù)值模擬快照

 小結(jié)
（1）通過理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)值模擬，給出了NSMSs復(fù)合材料在重復(fù)沖擊載荷下的動態(tài)響應(yīng)。提出了一系列的評價指標(biāo)來定量地描述其能量吸收性能。在不同的沖擊應(yīng)變率下，驗(yàn)證了NSMSs復(fù)合材料可重復(fù)使用能量吸收的優(yōu)越能力。

（2）建立了一個雙穩(wěn)態(tài)解析模型來描述單軸壓縮條件下雙彎曲梁的力位移關(guān)系，并推導(dǎo)了基于Gibson-Ashby模型的理論公式來解析預(yù)測NSMS的能量吸收性能。數(shù)值或?qū)嶒?yàn)結(jié)果與來自各種結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論分布吻合較好。

（3）實(shí)驗(yàn)可視化了NSMSs復(fù)合材料在重復(fù)沖擊下的失效機(jī)理，并與傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。與蜂窩設(shè)計的整體剪切失效不同，NSMSs表現(xiàn)出獨(dú)特的逐層失效模式，以產(chǎn)生損傷隔離效應(yīng)，從而具有優(yōu)異的抵抗重復(fù)沖擊載荷的性能。

原始文獻(xiàn)

Jiakang Gan, Fenglei Li, Keqiang Li, Eric Li, Bing Li. Dynamic failure of 3D printed negative-stiffness meta-sandwich structures under repeated impact loadings, Composites Science and Technology 234 (2023) 109928, https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.109928.

(責(zé)任編輯：admin)

• 浙大楊華勇院士團(tuán)隊(duì)：生物
• 營收32.29億元，3D打印粉
• 2025年又有5所高校開設(shè)3D
• 珠海這個廁所，竟是3D打印
• 從大阪到戛納：一雙中國3D
• 央視報道今奇玩具！3D打印

• ·浙大楊華勇院士團(tuán)隊(duì)：生物軟材料的順序
• ·營收32.29億元，3D打印粉末材料銷量271
• ·2025年又有5所高校開設(shè)3D打印本科專業(yè)
• ·珠海這個廁所，竟是3D打��！
• ·從大阪到戛納：一雙中國3D打印鞋憑何走
• ·央視報道今奇玩具！3D打印農(nóng)場美國訂單
• ·殘疾人增材制造設(shè)備操作員(3D打印)系列
• ·2024年?duì)I收超8億元，MIM大廠統(tǒng)聯(lián)精密正