结构优化与仿生设计在晶格材料静动态力学性能关联性研究中的突破

本研究针对晶格材料静动态力学性能关联性不明确的问题，通过实验与数值模拟结合，系统分析了13种生物启发、拓扑优化及TPMS等晶格材料的压缩模量(Ec)、比吸能(SEA)和穿孔极限(Vp)。研究发现EBEP仿生结构与CompIED拓扑优化设计可同时实现高刚度和抗冲击性，并提出了冲击-单元比(χ)新指标，为多功能材料设计提供了理论依据。

　　

在材料科学领域，机械超材料（Mechanical metamaterials）因其通过几何构型而非成分调控性能的特性备受关注。这类材料在航空航天、生物医学等领域展现出巨大潜力，但其静动态力学性能的关联机制长期缺乏系统研究。传统观点认为材料刚度(E_c)与抗冲击性存在此消彼长的关系，这种认知限制了多功能材料的开发。

为破解这一难题，国外研究团队在《Materials》发表重要成果。研究选取13种典型晶格结构，包括仿昆虫鞘翅的EBEP结构、拓扑优化的CompIED设计，以及三周期极小曲面(TPMS)、板/桁架晶格等，通过实验与数值模拟相结合的方法，首次建立了静动态性能的定量关联模型。

研究采用三大关键技术：1）融合FDM（熔融沉积成型）3D打印与INSTRON CEAST 9350冲击测试平台的实验体系；2）基于Abaqus/Explicit的 Drucker-Prager材料模型与延性损伤准则的有限元仿真；3）创新性提出冲击-单元比(χ=πD_i²/4L²)参数，量化单元尺寸对冲击响应的影响。

2. 计算建模与验证
通过校准的数值模型准确预测了BCC板夹层结构的冲击刚度（误差<5%）。线性屈曲分析显示，CSPL 111+110晶格的临界屈曲强度(σ_b)达18MPa，验证了模型对失稳行为的捕捉能力。

3. 夹层结构冲击性能
关键发现包括：

• 性能关联性：压缩模量与SEA呈现强正相关（r=0.83），但穿孔极限与SEA的全局相关性较弱（r=0.18）。聚类分析后，近拉伸主导型结构（如EBEP）的V_p-E_c相关性提升至r=0.81。
• 仿生设计优势：EBEP结构凭借中央主干的材料分布，实现最高V_p=9.2m/s，较传统BCC桁架提升37%。
• 尺寸效应：当χ从50降至1.4时，SC桁架的V_p呈指数衰减，在L>15mm（χ<1.4）后趋于稳定。

4. 结论与展望
研究颠覆了"高刚度必牺牲抗冲击性"的传统认知：

1. 拓扑优化的CompIED实现最高E_c(320MPa)和SEA(9.1J/g)，而EBEP结构兼具高刚度(E_c=290MPa)和最优V_p；
2. 提出的χ参数明确界定有效单元尺寸范围（χ>12.5时性能骤降）；
3. 为航空航天抗冲击结构、个性化骨科植入物等需要多性能协同的应用提供了设计范式。

该研究开创性地建立了静动态性能的定量预测框架，未来可通过机器学习进一步优化拓扑-性能映射关系。文中揭示的仿生材料分布策略，为开发下一代自适应防护材料指明了方向。