非线性弹性拉胀与非拉胀机械超材料中摩擦与材料阻尼的能量耗散机制研究

这篇研究深入探讨了由热塑性聚氨酯（TPU 95?A）构建的摩擦机械超材料的能量耗散行为。通过实验压缩测试、有限元（FE）模拟和理论建模，揭示了该超材料在准静态单轴载荷下通过内部材料阻尼和摩擦滑动相互作用的协同耗能机制。采用Mooney-Rivlin三参数模型表征材料的超弹性行为，结合加载-卸载实验数据提升模拟精度。研究表明，这种可调谐的轻量化超材料在多次变形循环中表现出优异的能量耗散能力，为工程系统的阻尼和冲击吸收应用提供了新思路。

　　

引言：机械超材料的能量耗散新范式

机械超材料因其可定制特性成为工程领域的研究热点，传统观念将能量耗散视为需要最小化的负面因素，但近年研究转向主动利用耗散机制。本文研究的超材料单元结合热塑性聚氨酯（TPU 95?A）的超弹性（hyperelasticity）和粘弹性（viscoelasticity），通过结构化几何设计同时激活摩擦滑动和材料内部阻尼两种耗能途径。相较于采用线性弹性材料（如CPE HG100）的早期设计，该材料体系允许更大变形范围内的可重复能量耗散。

方法论：多尺度表征技术

几何设计：单元体由三部分组成——底部四根锥形柱、上部刀片结构及中央弹性框架（常规蜂窝或拉胀结构）。这种模块化设计通过4对接触面产生摩擦，斜侧壁则像弹簧般存储释放能量。

材料特性：采用熔融沉积成型（FDM）3D打印TPU 95?A试样，其压缩模量虽低（≈16 MPa），但具有显著的超弹性拐点和25-27%的滞回能量损失率。通过Mooney-Rivlin三参数模型分别拟合加载（C₁₀=-1.6428 MPa）与卸载（C₁₀=-9.4744 MPa）曲线，捕捉应力-应变非线性。

测试方法：使用Tinius Olsen试验机进行准静态压缩（3 mm/min），同时通过往复摩擦仪测得接触面摩擦系数为0.738。有限元分析采用SOLID187单元和AUGMENTED LAGRANGE接触算法，并建立代表体元（RVE）模拟周期性超材料行为。

结果：协同耗能机制验证

单胞性能：在3 mm压缩位移下（等效应变0.0467），常规六边形和拉胀结构单胞分别耗散59.4 mJ和60.59 mJ能量，有限元预测误差<10%。应力分布显示框架区域存在反常拉伸应力（图6），而摩擦应力集中在下边缘。

周期性结构增强效应：RVE模型在7 mm位移时表现出40-50%更高的峰值力（173 N）和能量耗散（646.6 mJ），源于周边胞元约束导致的框架整体弯曲。

耗能贡献分解：理论模型表明材料内部阻尼（W_I）占总耗能16-18%，有限元结果（11-15%）验证了这一比例。相较于采用CPE HG100的刚性超材料（能耗高10倍但易损伤），TPU基设计在12.5%应变下仍保持完整功能。

讨论：性能边界与应用前景

当前模型与实验的差异主要源于未考虑的Mullins效应（应力软化）和接触局部化。横向对比显示，该设计单位体积能耗（6.15 mJ/cm³）优于多数文献报道的刚性摩擦超材料，但低于最新非周期拉胀设计（31.46 mJ/cm³）。其核心优势在于：

1）通过超弹性实现大滑动位移（>7 mm）而不失效

2）粘弹性阻尼提供稳定的次级耗能通路

3）周期性设计确保宏观材料性能可预测性

结论：可重复耗能的新材料策略

这项研究证实了结合几何摩擦与材料本征耗散的设计可行性，为开发适应宽幅载荷的耐损超材料奠定基础。未来研究可聚焦于应变率效应量化、拓扑优化及多物理场耦合建模，进一步释放此类材料的应用潜力。