轻质非自相似分级超材料的准静态与动态载荷下非线性力学响应及能量耗散机制研究

为解决航空和汽车工业对高性能轻质吸能材料的需求，研究人员针对非自相似分级拓扑结构(NSSHT)开展准静态压缩和动态冲击实验，结合有限元模拟揭示了其非线性力学响应规律。研究发现NSSHT具有负泊松比(NPR)效应和层间渐进压缩特性，应力波传播速度达2679 m/s，动态载荷下比峰值/平台应力和比吸能(SEA)显著提升。该研究为设计具有可控泊松比和分级能量吸收特性的轻质超材料提供了理论依据。

　　

在航空航天和交通运输领域，传统蜂窝材料面临着能量吸收效率低、缓冲性能单一等挑战。虽然自相似分级结构能改善力学性能，但其拓扑构型单一、设计灵活性不足。更棘手的是，现有结构难以同时满足初始缓冲和后续高效吸能的双重要求——火箭级间分离装置等应用场景既需要初始冲击的柔性缓冲，又要求大变形阶段具备更强的能量耗散能力。

针对这些瓶颈问题，中国某研究机构的研究团队创新性地设计了一种基于三角形内切圆子结构的非自相似分级拓扑(Non-Self-Similar Hierarchical Topology, NSSHT)。通过系统的实验和数值模拟，发现这种耦合弯曲-拉伸变形的超材料具有独特的负泊松比行为和分级压缩特性，动态冲击时比吸能较准静态工况提升显著。相关成果发表在《Materials》期刊，为开发新一代智能防护材料提供了重要参考。

研究采用选择性激光熔化(SLM)技术制备316L不锈钢试样，通过万能试验机(3 mm/min)和气体炮(40-100 m/s)分别实现准静态和动态加载。借助高速摄像机(40,000 fps)捕捉变形过程，并采用ABAQUS软件建立考虑剪切失效准则的有限元模型，单元类型选用C3D8R实体单元和R3D4刚性单元，通过质量缩放技术保证计算效率。

研究结果部分：

"3.1 变形与失效模式分析"显示，NSSHT在压缩过程中呈现四个典型阶段：初始弹性阶段、平台应力阶段、应力增强阶段和致密化阶段。在γ=0.65的模型中，第一阶单胞连接处应力较其他部位高15%，这些位置最先达到屈服应力。特别值得注意的是，在应力增强阶段前结构表现出负泊松比(NPR)行为(横向收缩率达12%)，之后转变为正泊松比(PPR)行为。

"3.2 冲击速度对力学行为的影响"通过对比40-100 m/s的冲击工况发现，当速度低于60 m/s时，冲击板在应力增强阶段速度即降为零；而60 m/s时结构恰好在进入致密化阶段时耗尽动能。速度衰减曲线呈现"缓降区"(对应结构缓冲)和"速降区"(对应能量吸收)的双阶段特征。

"3.3 关键力学性能分析"定量揭示了结构参数的影响规律：相对密度ρˉ从0.12增至0.20时，比峰值应力提升98.3%；壁厚比η=1.2时的比平台应力比η=0.6降低22%。动态冲击下，50 m/s工况的比吸能(SEA)达到准静态的1.8倍，展现出显著的应变率强化效应。

研究结论表明，这种三角形-圆形耦合的拓扑设计通过调控γ和η参数，可实现弹性弯曲向塑性断裂的失效模式转变。其独特的层间压缩特性和2679 m/s的应力波传播速度，使其特别适用于抗冲击应用。与六边形蜂窝相比，NSSHT在ρˉ=0.21时的比吸能提升35%，且通过非均匀壁厚设计可进一步优化性能。该研究不仅为分级超材料设计提供了新思路，其揭示的NPR-PPR转变机制更为开发具有可调力学性能的智能防护结构奠定了理论基础。