正弦板格的动态压缩：能量吸收与失效特性

《Materials & Design》：Dynamic compression of sinusoidal plate lattices: Energy absorption and failure characteristics

本研究对比分析了BCC和FCC两种六方晶格平板结构在平直与正弦波几何形态下的准静态和动态压缩性能，发现正弦波结构能有效抑制局部失效并稳定变形，其中FCC正弦波结构在动态载荷下表现出更高的应变率强化效应，验证了Cowper-Symonds塑性模型的有效性。实验表明几何形态通过改变失效机制显著影响材料性能，为抗冲击结构设计提供了新思路。

　　在当前的研究中，科学家们探讨了基于平板结构的BCC（体心立方）和FCC（面心立方）晶格在准静态和动态压缩条件下的行为。这些晶格结构具有特殊的几何设计，其中平板的形状被设计为正弦波状，这在材料科学和工程领域引发了广泛关注。平板晶格因其在轻量化结构和能量吸收方面的潜力，成为研究热点。然而，尽管其理论性能优异，但实际应用中，特别是在动态载荷条件下，其行为仍存在未充分理解的部分。研究者通过实验测试和理论分析，揭示了正弦波几何对晶格性能的深远影响，包括其在不同应变率下的表现、能量吸收能力以及失效机制的变化。

在实验设计方面，研究者采用了一种参数化方法，使用Python和OpenSCAD进行建模。平板晶格分为两种类型：常规的平面平板晶格和带有正弦波几何特征的改良平板晶格。研究者选择BCC和FCC结构作为研究对象，因为它们在先前的研究中被广泛使用，并且具有相似的桁架结构。这些结构的晶格单元由多个平面组成，其中BCC晶格包含六块与{110}晶面方向一致的矩形平板，而FCC晶格则由四块与{111}晶面方向一致的六边形平板构成，每块平板倾斜角度为55°，并旋转45°、135°、225°和315°，以形成对称结构。FCC晶格的角部连接由八块三角形元素构成，以增强结构的稳定性。

实验测试使用了MEX（材料挤出）技术制造的ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）材料，其应变率范围从0.001到43.5 s?1。研究者发现，正弦波几何在两种晶格结构中都有效抑制了局部失效，从而促进了稳定的变形。然而，这种几何修改也降低了晶格的刚度和强度。对于BCC晶格，正弦波结构在较低相对密度下表现出显著的应变率强化，而在较高相对密度下则显示出较差的性能。相比之下，FCC晶格在较高应变率下表现出更强的应变率强化，这可能与ABS材料在剪切载荷下的应变率敏感性有关。

为了评估动态载荷下的性能，研究者使用了Cowper–Symonds塑性模型，该模型能够有效预测不同应变率下的动态强度。这一模型的应用表明，正弦波几何在动态载荷下对晶格性能的改善具有重要影响。研究者还发现，对于不同的应变率，正弦波晶格在准静态和动态载荷下的行为存在显著差异。在准静态载荷下，正弦波晶格表现出更平滑的应力曲线和更稳定的变形模式，而在动态载荷下，其应力波动更小，且能量吸收能力更高。

此外，研究者还分析了不同应变率对晶格性能的影响。在动态测试中，使用了Instron CEAST 9350自由落体冲击装置，通过调整冲击高度和质量来实现不同的冲击能量。实验结果显示，冲击能量越高，应变率越大，动态屈服强度也相应提高。在应变率范围内，正弦波晶格表现出更高的能量吸收能力，这与其在剪切载荷下的均匀应力分布有关。相比之下，平面晶格在较高应变率下表现出较低的能量吸收能力，且其应力波动更为显著。

研究还发现，不同晶格结构在应变率敏感性方面存在差异。BCC晶格在较低应变率下表现出较好的刚度和强度，而在较高应变率下则表现出较低的性能。FCC晶格在较高应变率下表现出更强的应变率强化，这与其在剪切载荷下的材料特性有关。研究者还发现，正弦波几何在不同晶格结构中对失效机制的影响存在差异。在BCC晶格中，正弦波结构通过促进平板的弯曲变形，降低了其刚度和强度，但在FCC晶格中，正弦波结构通过抑制局部失效，提高了其能量吸收能力。

总的来说，这项研究揭示了正弦波几何在不同晶格结构中的重要影响，为设计具有特定应变率性能的增材制造结构提供了新的思路。研究者还指出，未来的研究应采用更多的晶格单元进行测试，以获得更准确的均质化性能数据，并扩展应变率范围，系统地分析打印参数、材料选择以及非轴向载荷条件对晶格性能的影响。通过这些研究，科学家们希望能够进一步揭示平板晶格在不同应变率下的行为机制，为开发高性能的增材制造材料提供理论支持和实践指导。