新型多级星形-等腰三角形蜂窝结构的面内双向准静态压缩行为与能量吸收特性研究

本研究针对传统蜂窝结构面内能量吸收有限或仅单方向呈现多级平台特征的问题，提出了一种新型星形-等腰三角形混合蜂窝(SITH)。通过实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了SITH结构在双向载荷下的力学响应，发现其在Y方向可产生三个平台阶段，X方向呈现两个平台阶段。基于变形机制建立了理论模型，准确预测了平台应力和临界应变。参数分析揭示了关键几何角度对力学响应的调控规律。与现有混合蜂窝相比，SITH展现出更优的稳定性、可调的多级能量吸收能力和双向有效性，为复杂工程环境中的冲击防护提供了新策略。

　　

随着航空航天、汽车制造和防护工程等领域对轻量化结构的需求日益增长，蜂窝材料因其优异的比强度和能量吸收特性受到广泛关注。传统蜂窝结构虽然具有良好的力学性能，但往往面临面内能量吸收有限或仅在单一加载方向呈现多级平台特征的局限性。特别是在需要双向抗冲击能力的复杂工程环境中，开发具有双向多级能量吸收能力的新型蜂窝结构成为迫切需求。

在此背景下，东北林业大学土木与交通学院的张启鹏、贾杰等研究人员在《Materials 》期刊上发表了一项创新研究，他们巧妙结合星形结构的可调性与三角形框架的稳定性，设计出一种新型星形-等腰三角形混合蜂窝结构(SITH)。该结构在面内双向加载条件下均表现出优异的能量吸收特性，尤其在Y方向能产生三个明显的平台阶段，实现了多级能量耗散。

研究人员采用熔融沉积成型(FDM)技术制备聚乳酸(PLA)试样，通过准静态实验和有限元模拟系统研究了SITH结构的力学性能。实验结果显示，在Y方向压缩时，SITH结构呈现出三个明显的平台阶段，伴随着两次剧烈的应力跃升；而在X方向压缩时，则表现出两个平台阶段和一次应力跃升。这种多阶段特性源于结构在不同变形阶段的渐进式破坏机制：初始阶段星形单元斜边旋转，随后等腰三角形组件开始变形，最后通过斜边的弯曲和旋转完成能量吸收。

关键技术方法包括：采用熔融沉积成型技术制备试样；通过万能试验机进行准静态压缩实验；利用ABAQUS软件建立有限元模型进行数值模拟；基于塑性铰理论建立理论预测模型；通过参数分析研究几何角度对力学性能的影响。

研究结果方面，在变形模式上，Y方向压缩经历了星形单元旋转、菱形结构变形和局部屈曲三个阶段；X方向压缩则表现为三角形单元旋转和斜边接触两个主要阶段。在理论模型验证方面，基于能量守恒原理建立的理论模型能准确预测各平台应力和临界应变，与实验结果的误差大多保持在10%以内。参数分析表明，角度θ主要影响第一平台长度，而角度α则对第二平台长度更为敏感。在能量吸收特性方面，SITH结构的比能量吸收(SEA)显著高于传统星形蜂窝结构，在Y方向和X方向分别提高了29.7%和95.9%。在与同类结构对比中，SITH在平均应力和能量吸收能力方面均优于星形箭头蜂窝(SAH)、星形菱形蜂窝(SRH)和星形双箭头蜂窝(SDAH)等现有设计。

研究的讨论部分强调，SITH结构的多级变形特性使其能够根据不同的工程需求进行性能调控，通过调整几何参数可以实现特定的能量吸收曲线。这种可设计性为定制化防护结构提供了可能，特别是在需要分级能量吸收的场合，如汽车碰撞缓冲、航空航天器着陆装置和人体防护装备等领域。

该研究的结论表明，新型星形-等腰三角形混合蜂窝结构成功解决了传统蜂窝结构在双向加载和多级能量吸收方面的局限性，不仅提供了优异的力学性能和能量吸收能力，还展现出良好的可调性和适应性。这项工作为星形混合蜂窝的设计提供了理论基础，也为复杂工程环境中的冲击防护问题提供了有效的解决方案，在航空航天、交通运输和安全防护等领域具有广阔的应用前景。