动态压痕作用下缝合线镶嵌结构的数值分析

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Numerical analysis of sutural tessellations under dynamic indentation

动态压缩下仿生 sutural 接口波状几何对复合材料力学性能的影响研究。通过有限元模拟分析刚度比500和5000的波状与非波状设计在动态载荷下的响应，发现波状结构通过应力波散射和负泊松比效应显著提升能量耗散效率，降低峰值载荷和塑性变形，其机制源于Keyed-Brick几何约束。对比显示波状设计在高速撞击下仍保持更好的应力分布和损伤耐受性。

　　本文探讨了通过引入生物结构中的缝合几何形态来优化人工复合材料在动态载荷下的机械性能。自然界的许多生物系统，如人类头骨、乌龟外壳和某些鱼类鳞片，都具有独特的缝合结构，这些结构能够有效吸收冲击能量，实现结构的韧性与刚性之间的平衡。受这些自然结构的启发，研究人员设计了一种新的缝合结构复合材料，通过将原本平坦的六边形蜂窝结构与较薄、较软的缝合层结合，形成了具有独特力学特性的结构。

在本研究中，缝合结构的性能主要通过动态显式有限元（FE）模拟进行分析。这些模拟展示了缝合结构在不同动态载荷条件下的响应。研究人员发现，缝合结构能够表现出负泊松比（auxetic behavior）这一特性，这在某些特定的设计参数范围内尤为显著。负泊松比意味着材料在受到载荷时，横向会收缩，这种特性对于吸收冲击能量和分散应力具有重要作用。与传统的平坦蜂窝结构相比，缝合结构在动态载荷下展现出更优的性能，包括减少塑性变形、提高能量吸收效率和降低峰值载荷。

在材料特性方面，缝合结构由两个主要相组成：硬相和软相。硬相提供结构强度和承载能力，而软相则负责吸收能量和适应变形。在研究中，硬相和软相的材料特性被设定为不同的刚度比（stiffness ratio），以观察这一比值对缝合结构性能的影响。具体来说，硬相的刚度比为软相刚度的若干倍，这一设定在模拟中被用来区分非负泊松比和负泊松比的结构。研究还发现，当缝合结构的刚度比增大时，其负泊松比特性更加明显，这种现象被称为“键合砖机制”（Keyed-Brick Mechanism），它解释了缝合结构如何通过几何约束实现负泊松比。

通过改变缝合结构的几何参数，如缝合波长、波幅和齿尖角度，研究人员分析了这些参数对材料整体性能的影响。结果表明，这些参数的调整能够显著影响缝合结构在动态载荷下的响应。例如，当缝合结构的齿尖角度减小且刚度比增大时，材料更容易表现出负泊松比特性。此外，缝合结构的波幅和波长也会影响材料在载荷下的能量吸收能力和塑性变形程度。

为了进一步验证这些结论，研究人员设计了多种缝合结构，并进行了详细的FE模拟。这些模拟不仅展示了缝合结构在不同载荷条件下的力学行为，还揭示了缝合结构在能量分布和塑性变形方面的优势。特别是在高载荷条件下，缝合结构能够有效减少塑性变形，从而提高材料的耐久性和抗破坏能力。研究还指出，缝合结构的这些优势来源于其内部的应力波散射和能量分布机制，这使得材料在受到冲击时能够更好地分散载荷，减少局部应力集中。

本研究的结论表明，缝合结构在动态载荷下的性能优于传统的平坦蜂窝结构。这种结构的优化设计不仅能够提高材料的承载能力，还能增强其能量吸收效率，从而在实际工程应用中具有广泛前景。未来的研究可以进一步探索缝合结构在不同材料组合和几何参数下的表现，以及其在更复杂载荷条件下的适用性。通过深入理解缝合结构的力学特性，研究人员可以为开发新型仿生材料提供理论支持和技术指导。