多稳态超材料结构在冲击载荷下的动态性能数值研究及其船舶防护应用

【编辑推荐】为提升船舶碰撞防护结构的能量吸收性能，研究人员通过谱分析和数值模拟研究了多稳态超材料（MSM）的波传播方向性与动态响应。结果表明，非线性梯度分布的MSM结构可显著降低冲击力并提升吸能能力，船艏与单元尺寸比影响失效范围与吸能效率，为船舶防护设计提供了新思路。

　　

随着全球贸易的发展，海上航线日益密集，船舶碰撞事故的概率显著上升。大型船舶碰撞不仅造成巨大的经济损失，还会导致环境污染和人员伤亡。国际海事组织（IMO）的统计数据显示，全球范围内因船舶碰撞导致的死亡人数逐年增加。因此，开发具有优异能量吸收性能的防护结构成为研究热点。

传统的船舶防护结构如夹层板虽能提升刚度和强度，但在极端冲击下的能量吸收能力有限。近年来，多稳态机械超材料（Multi-stable Metamaterials, MSM）因其可恢复的弹性变形和能量吸收特性受到广泛关注。这类材料通过双稳态单元的串联或并联实现多稳态构型，在冲击载荷下表现出独特的动态响应。然而，MSM在船舶防护中的应用仍面临波传播机制不明确、结构优化不足等问题。

为解决这些问题，中国某研究机构的研究人员开展了MSM结构在冲击载荷下的动态性能数值研究。研究通过谱分析、有限元模拟等方法，系统考察了不同梯度分布的MSM在压缩和船艏冲击下的力学行为。论文发表在《Ocean Engineering》上，为船舶防护设计提供了理论依据和技术支持。

研究主要采用以下技术方法：1）基于Bloch定理的谱分析，确定MSM的弹性波传播方向性；2）通过ABAQUS建立有限元模型（FEM），模拟10?4单元阵列的冲击响应；3）对比不同梯度分布（G2、G4等）的压缩变形模式和应力分布；4）分析船艏与单元尺寸比对失效范围和能量吸收的影响。

多稳态超材料结构
MSM由双稳态单元构成，具有可逆变形、能量存储和快速响应特性。研究设计了不同梯度分布的MSM，通过数值模拟验证其动态性能。

谱分析
基于Bloch定理的谱分析表明，梯度递减的MSM具有显著的带隙特性，弹性波沿对角线方向传播更快，为结构优化提供了依据。

有限元模型
采用ABAQUS建立的FEM模型显示，MSM在冲击下形成明显的弯曲应力区，薄板核心层优先坍塌并折叠，验证了梯度设计的有效性。

压缩破碎行为
压缩深度δ_max为33 mm时，G2和G4试样底部持续存在高应力区，表明梯度分布影响应力传递路径和能量吸收效率。

结论与意义
研究表明，非线性梯度分布的MSM能显著降低冲击力并提升能量吸收能力，船艏与单元尺寸比直接影响失效范围。该成果为船舶防护结构的设计提供了新思路，尤其在极端载荷下的可恢复性和吸能效率方面具有重要应用价值。

研究还指出，MSM的拓扑状态和弹性能量扩散机制值得进一步探索，未来可通过实验验证其在实际船舶碰撞中的性能。