在结构化超材料的动态压缩过程中，力的传递与耗散

《Materials Today Advances》：Force transmission and dissipation in dynamic compression of architected metamaterials

本文通过数值模拟研究了三种不同结构（回反射 honeycomb、螺旋式 auxetic、普通 honeycomb）在静态和动态压缩下的力学行为，发现高速冲击下 auxetic 结构的力传输延迟显著，能量集中在顶部，而普通 honeycomb 在静态和高速下均表现更优，挑战了现有 auxetic 材料在冲击减震中的优势假设。

　　### 解读与分析

在当前的研究中，我们探讨了三种不同类型的机械超材料（mechanical metamaterials）在冲击载荷下的行为，包括它们的力传递特性、能量耗散分布以及在不同应变率下的响应。这些材料通过其内部结构设计，实现了在传统材料中无法达到的非均匀性能，这使得它们成为轻质、高能吸收材料的有力候选。我们的目标是揭示这些结构在不同应变率下的动态行为，以及它们如何在冲击过程中影响力的传递和能量的分布。

#### 研究背景与意义

机械超材料是一种通过其内部微结构设计来实现独特机械性能的材料。这些材料在应变率变化时表现出不同的行为，这使得它们在冲击防护领域具有重要的研究价值。在许多应用中，如体育装备、航天器、汽车碰撞保护以及个人防护装备，保护结构需要在冲击发生时有效地限制能量和动量的传递。这通常意味着材料不仅要具备良好的能量吸收能力，还要能够均匀地分布这些能量，从而减少对被保护结构的损害。

#### 材料与结构设计

在本研究中，我们选择了三种基本的微结构单元进行分析：
1. **反向蜂窝结构（Re-entrant honeycomb）**：这是最常见的负泊松比材料，其特点是当受到压缩时，横向收缩，从而表现出特殊的机械性能。
2. **螺旋结构（Chiral unit cell）**：这种结构通过旋转连接点来实现负泊松比，其变形机制与反向蜂窝结构不同，但同样具有负泊松比的特性。
3. **常规蜂窝结构（Regular honeycomb）**：这种结构具有正泊松比，其变形模式与前两者不同，通常表现为全局性的膨胀和压缩。

为了确保比较的公平性，我们设计了所有三种结构单元，使其具有相同的相对密度和垂直方向的弹性模量。此外，我们通过调整单元尺寸，使得不同单元数量的结构在整体尺寸上保持一致，从而避免由于材料质量或结构密度的差异带来的偏差。

#### 力的传递与能量耗散

在冲击过程中，材料会经历高速变形，这种变形会导致力的非均匀传递。在本研究中，我们使用了非线性Timoshenko-Ehrenfest梁模型，并通过隐式和显式有限元分析方法，对力的传递过程进行了模拟。我们发现，对于所有三种结构，在初始阶段，施加的力会在背面对应的区域表现出类似的峰值，随后会逐渐稳定到静态应力平台。

此外，我们研究了不同应变率下能量的分布。在静态压缩情况下，能量的分布较为均匀，而在动态压缩（尤其是高速压缩）情况下，能量主要集中在结构的上部区域，即受冲击的面附近。这一现象表明，随着应变率的增加，材料的动态响应变得更为集中，导致局部能量耗散增加，而整体的应变能则逐渐被耗散。这种能量分布的变化，可能对保护结构的性能产生重要影响，尤其是在高速冲击场景中。

#### 不同结构的响应差异

在不同应变率下，三种结构表现出不同的响应特性。例如，在静态压缩下，反向蜂窝和螺旋结构表现出局部失效，而常规蜂窝结构则表现出全局性的变形。这种差异在动态压缩下更加明显，特别是在高速压缩时，反向蜂窝和螺旋结构表现出更为显著的脆性行为，而常规蜂窝结构则由于其均匀的变形模式，表现出更稳定的性能。

#### 结果分析

研究结果显示，负泊松比材料在某些情况下并不总是优于正泊松比材料。这与文献中的一些普遍观点相悖，即认为负泊松比材料在冲击防护中具有优势。然而，本研究通过对比不同结构的力传递和能量耗散行为，表明这种优势并不总是成立，特别是在考虑材料的结构设计和单元尺寸时。

此外，我们还发现，结构的微细化会增加其在动态响应中的脆性，而较大的单元则表现出更稳定的性能。这表明，在设计冲击防护结构时，需要权衡结构的尺寸和应变率的影响，以实现最佳的性能。

#### 结论与展望

本研究通过详细的数值模拟，揭示了不同微结构在冲击载荷下的行为差异，特别是在力的传递和能量耗散方面。这些结果为设计和优化冲击防护结构提供了新的视角，并表明，除了负泊松比材料外，还有其他类型的结构可能在特定情况下表现出更优的性能。未来的研究可以进一步探索这些结构在不同应变率下的行为，以及它们在实际应用中的表现。此外，研究还可以扩展到更复杂的结构设计，以实现更高效的能量吸收和更均匀的力分布。

总的来说，这项研究为理解机械超材料在冲击载荷下的行为提供了重要的见解，并强调了在设计冲击防护结构时，需要综合考虑材料的结构特性、应变率以及能量分布等因素。