多层自平衡拱形桁架结构在压缩与弯曲载荷下的变形特性与能量吸收机制研究

【编辑推荐】针对传统拱结构局部应力集中与失稳问题，研究人员通过引入张力弦杆与主动可弯杆件优化设计，采用热塑性聚氨酯(TPU)和碳纤维增强高温聚酰胺(PAHT-CF15)进行增材制造，发现PAHT-CF15试件比吸能(SEA)高达170.72 mJ/g，有限元模拟验证了中层结构在失稳前主导能量吸收的机制，为轻量化防护与抗冲击系统提供新思路。

　　

这项研究深入解析了多层自平衡拱形桁架结构在压缩和弯曲载荷下的变形行为与能量吸收(Energy Absorption, EA)效能。为解决传统拱形设计常见的局部应力集中和结构失稳问题，创新性地引入张力弦杆与主动可弯杆件构成优化架构。采用热塑性聚氨酯(Thermoplastic Polyurethane, TPU)和碳纤维增强高温聚酰胺(Polyamide High-Temperature with 15% Carbon Fiber, PAHT-CF₁₅)两种材料，通过增材制造技术制备试样。

实验数据显示，TPU试样展现出稳定的整体变形特性，比吸能(Specific Energy Absorption, SEA)达到8.89 mJ/g和8.68 mJ/g，对尺寸变化表现出极低敏感性。而PAHT-CF₁₅试样则实现显著更高的能量吸收性能，最高SEA值达170.72 mJ/g（试样P4），对应总EA高达63.92 J。通过有限元建模(Finite Element Modeling, FEM)对三点弯曲过程进行模拟，结果与实验数据高度吻合。

能量分布分析揭示，在结构失稳前，中间层对能量吸收贡献最大，验证了设计的变形机制有效性。这些发现证实，新型自平衡拱结构能有效分散应力、延缓失效进程，在不同材料和尺度下均表现出优异的能量吸收能力。该成果为轻量化防护结构、建筑抗震系统和抗冲击装置等领域的创新设计提供了重要理论支撑。