新型可重入圆形星形拉胀蜂窝结构：增强能量吸收与各向异性泊松比的设计与优化

传统拉胀蜂窝结构在大变形条件下能量吸收能力有限，本研究提出一种新型各向异性拉胀构型——可重入圆形星形蜂窝(RECSH)，通过实验测试、理论建模和有限元(FE)模拟系统评估其面内准静态压缩行为。结果表明，该结构具有双平台变形响应，嵌入式圆形几何结构提供独特应力平台支撑。研究建立了基于塑性耗散的理论框架预测平台应力，并采用Kriging代理模型和NSGA-II算法进行多目标优化。与传统设计相比，优化后的RECSH在x和y方向均表现出更高的比能量吸收(SEA)和更低的初始峰值应力(IPS)，为冲击防护系统提供了新型解决方案。

　　

在工程材料领域，传统拉胀蜂窝结构长期面临一个关键瓶颈：虽然具有负泊松比(NPR)特性，但在大变形条件下的能量吸收能力往往不尽如人意。更棘手的是，现有设计多追求各向同性的NPR特性，却忽视了实际应用中多向载荷带来的挑战——这种"一刀切"的设计思路容易导致结构过度收缩或局部失稳。如何开发兼具高效能量吸收和可控变形模式的新型拉胀材料，成为冲击防护、航空航天等领域亟待突破的科学难题。

针对这一挑战，东南大学土木工程学院的研究团队创新性地提出了一种名为"可重入圆形星形蜂窝"(RECSH)的新型各向异性结构。这项发表在《Materials》上的研究通过巧妙融合圆形支撑单元与星形拓扑，成功实现了负-正泊松比(NPR-PPR)的双模变形行为。该设计不仅保留了传统拉胀材料的优异特性，更通过独特的双平台应力响应机制，将能量吸收效率提升至新高度。

研究团队采用多尺度研究方法展开攻关。在材料制备方面，选用316L不锈钢粉末通过选择性激光熔化(SLM)技术3D打印试样；在力学表征环节，结合准静态压缩实验与数字图像相关技术；理论建模则基于塑性铰链机制建立双平台应力预测模型；最后采用Kriging代理模型结合NSGA-II算法进行多目标优化设计。这种"实验-模拟-理论-优化"四位一体的研究策略，确保了结论的可靠性。

研究结果展现出多项突破性发现：

1. 变形模式与平台应力：在y方向压缩时，RECSH呈现典型的双平台响应。第一平台阶段(ε=0.03-0.23)由倾斜肋弯曲和圆形结构收缩主导，平均应力20.68 MPa；第二平台阶段(ε=0.23-0.53)因圆形结构与水平肋相互作用形成新的承载机制，应力跃升至61.51 MPa，提升达197.44%。

2. 各向异性泊松比：在y方向呈现显著NPR效应(最低达-0.97)，而x方向则表现为正泊松比(最高2.0)。这种可控的各向异性行为使结构能根据载荷方向自主调节变形模式。

3. 参数影响规律：半径高度比α=0.25时形成最稳定的多层V型变形带；壁厚比λ从0.65增至1.35时，比能量吸收(SEA)提升144.7%；长度高度比β增大则会导致平台应力系统性降低。

4. 优化设计成果：通过多目标优化获得的最佳构型(r=4.78 mm, l=15.74 mm, t₂=0.88 mm)，在动态冲击测试中展现出比传统可重入蜂窝(REH)高18.4%的SEA值，同时初始峰值应力降低37.7%。

在工程应用验证中，研究团队特别模拟了15°斜向碰撞场景。结果显示RECSH基吸能装置相比传统设计，能更平稳地控制加速度增长曲线，乘员加速度峰值降低约30%，完全满足MASH2016安全标准。这种优异的抗冲击性能源于其独特的NPR-PPR耦合机制：在主要冲击方向通过NPR效应增强能量吸收，在侧向则利用PPR特性提供稳定支撑，有效抑制局部屈曲。

该研究的理论价值在于建立了双平台拉胀结构的完整设计框架，提出的等效厚度模型(t_eq=2t₁/3+t₂/3)和塑性耗散计算方法为类似结构提供了普适性指导。工程意义则体现在三个方面：为道路防撞设施提供新一代吸能材料解决方案；通过3D打印技术实现复杂拓扑结构的精确制备；展示各向异性设计在冲击防护领域的独特优势。研究团队特别指出，未来工作将重点突破大规模制造工艺，探索复合材料在RECSH中的应用，以进一步推动这一创新设计走向工程实践。