密度梯度折纸Voronoi蜂窝结构的可调能量吸收与面内强度增强研究

本文提出了一种融合密度梯度Voronoi晶格与折纸折叠技术的创新蜂窝结构（DOVH），通过微激光粉末床融合（μLPBF）制备了不同梯度（g）和折角（α）的构型。研究表明，折角增大会提升弹性模量、屈服应力及能量吸收能力，而高密度梯度会改变压溃模式（整体坍塌→渐进式），形成波浪形压溃边界。该结构通过分段经验模型实现了性能可调，为定制化缓冲防护设计提供了新思路。

　　

Highlight

密度梯度折纸Voronoi蜂窝（DOVH）结构通过结合自然启发的Voronoi图案（源自叶脉）和折纸折叠工艺，实现了面内强度的显著提升与能量吸收性能的可控调节。该设计巧妙融合了蜂窝结构的轻量化支撑特性、Voronoi图案的梯度适应性以及折纸的几何强化优势。

Compressive Response

为对比不同参数下DOVH的力学响应，应力基于相对密度进行归一化处理。归一化工程应力计算公式为：

σ_norm = (ρ?_ref/ρ?) · σ

其中σ_norm为归一化应力，ρ?_ref为参考相对密度。研究显示，增大折角α可显著提升弹性模量、屈服应力及屈服后应力平台，同时扩大应力集中区域，增强爆炸载荷下的缓冲效果；而高密度梯度g会因参与变形的相对密度降低，削弱弹性性能与能量吸收效率。

Conclusions

本研究通过数值模拟与实验（结合μLPBF制备、原位摄影与工业CT技术）系统分析了密度梯度折纸Voronoi蜂窝（DOVH）的压溃行为与力学特性，主要结论如下：

1. 1.
   DOVH结构受自然界与手工艺启发，整合了蜂窝、Voronoi图案和折纸折叠的协同优势；
2. 2.
   密度梯度结构呈现两阶段硬化（无致密化应变），非梯度结构则具有明显平台段与致密化阶段；
3. 3.
   折角α是调控能量吸收与应力分布的关键参数，而密度梯度g主导压溃模式转变与变形区域分布。