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《International Journal of Impact Engineering》：Design and Compressive Performance of Woodpecker-Beak-Inspired Honeycomb Structures with Tailorable Poisson's Ratios

　　

摘要

返回舱在着陆过程中常承受剧烈的冲击载荷，因此，高效的缓冲系统对于保护舱体结构并确保航天员安全至关重要。受啄木鸟喙几何形态启发，设计了一种具有可调节泊松比特性的旋转星形蜂窝（RSH），以提高缓冲性能并拓展拉胀结构在航天工程中的应用。采用 3D 打印技术制备试样，并在轴向和斜向载荷条件下进行准静态压缩和动态冲击试验，以研究其变形行为和吸能特性，并验证有限元方法的准确性。针对轴向载荷条件，建立了理论模型以表征弹性和塑性变形阶段，并使用有限元模型进一步评估其准确性。进一步分析了几何角度和载荷倾斜角对变形模式和力学性能的影响。结果表明，在轴向载荷下，RSH-i（i = 1, 2, 3）和 RSH-x-i 均表现出双平台应力响应。RSH-x-2 表现出最佳的吸能性能，比 RSH-2 提高了 54.67%。在高速冲击条件下，RSH-y-i 在大应变下仍保持稳定的吸能能力。RSH-i 表现出正泊松比效应，而 RSH-x-i 和 RSH-y-i 均表现出负泊松比效应。随着斜向载荷角的增加，结构的吸能性能和负泊松比效应逐渐降低。本研究为可调节泊松比蜂窝结构在返回舱缓冲系统中的应用提供了参考。

引言

返回舱 [1] 对于确保载人航天任务中航天员的安全返回至关重要，其结构安全 [2] 和着陆缓冲性能 [3] 直接影响航天员的生存率。在返回过程中，返回舱经历多个阶段，包括再入大气层、姿态调整和着陆缓冲 [4]。在这些阶段中，着陆时产生的冲击载荷 [[5], [6], [7]] 通过舱体结构传递到内部，引起舱内强烈的冲击响应 [8,9]，并对整体结构完整性产生不利影响。因此，设计具有高吸能能力的缓冲结构 [[10], [11], [12]] 对于减少冲击载荷和减轻载荷传递 [13,14] 至关重要。

为了解决返回舱着陆过程中的冲击防护 [15] 问题，大量工作致力于缓冲结构的设计和优化。Song 等 [16] 提出了一种分层蜂窝设计方法，结果表明该结构具有优异的力学性能和吸能能力。Xie 等 [17] 研究了泡沫填充蜂窝结构的冲击吸能特性。他们发现泡沫填充显著提高了结构的承载能力和比吸能（SEA）。Huang 等 [18] 开发了一种双向分层蜂窝结构，结果表明双向分层设计有效地提高了蜂窝结构的压溃效率。Zhu 等 [19] 提出了一种仿生梯度复合蜂窝结构，实验结果表明该结构表现出多阶段平台应力响应并有效提高了结构刚度。Ren 等 [20] 研究了一种压缩 - 扭转吸能结构，该结构表现出独特的变形响应和可调的力学性能。Liu 等 [21] 分析了胞元参数和梯度分布对蜂窝结构吸能性能的影响。他们发现合理的梯度设计降低了初始峰值应力并提高了 SEA。这些研究通过分层设计 [24]、泡沫填充 [25] 和梯度优化 [26] 在一定程度上提高了传统正泊松比蜂窝结构 [23] 的吸能能力 [22]。然而，实际工程应用中的复杂载荷条件，如斜向载荷、多向载荷和局部冲击，对缓冲结构的变形稳定性和吸能能力提出了更高的要求。因此，具有特殊变形机制的缓冲结构仍需进一步研究。

与传统正泊松比蜂窝结构不同，负泊松比蜂窝结构 [27,28] 在压缩下表现出横向收缩。由于它们提高了结构稳定性、降低了初始峰值载荷 [29] 并增强了吸能能力，此类结构近年来引起了越来越多的关注。Zhang 等 [30] 提出了一种旋转负泊松比结构，并通过实验和有限元模拟分析了其力学响应。结果表明该结构表现出显著的负泊松比效应和多平台应力响应。Lu 等 [31] 设计了一种分层星形负泊松比蜂窝结构，并进行了准静态压缩试验。数值结果表明该结构具有优异的吸能能力和稳定的负泊松比效应。Li 等 [32] 设计了一种摩擦耗能结构，结果表明该结构在弹性范围内实现了可重复的能量耗散，并有效提高了结构刚度和负泊松比效应。Yang 等 [33] 提出了一种折纸基负泊松比结构，模拟和实验结果表明三维折纸单元显著提高了结构刚度和承载能力。Hu 等 [34] 通过实验和数值模拟研究了各种负泊松比晶格结构的力学性能。他们发现内凹结构表现出优异的承载和吸能性能。Zhao 等 [35] 设计了一种双重内凹负泊松比结构，该结构表现出双平台应力响应并显著提高了 SEA。Qin 等 [36] 提出了一种内凹双箭头蜂窝结构，并研究了其在不同载荷方向和冲击速度下的压缩响应。该结构表现出明显的负泊松比效应和多平台应力特性。Zhong 等 [37] 研究了锯齿形内凹蜂窝的力学性能，并证明该结构在保持负泊松比效应的同时有效提高了结构刚度。Esmaeili 等 [38] 开发了两种星形 - 三角形负泊松比结构。他们通过准静态压缩试验验证了其 SEA 优于传统的星形和三角形结构。Montazeri 等 [39] 通过内凹结构的构型优化提出了一种新型负泊松比结构。与传统结构相比，提出的结构在 SEA 方面有了显著改进。

像铝蜂窝这样的正泊松比结构由于其轻质特性、高比强度 [40] 和高吸能效率 [41]，在返回舱着陆缓冲和冲击防护系统中引起了广泛关注。然而，在轴向载荷下，这些结构会发生横向膨胀，对外壁施加压力，可能导致局部失稳、结构损坏和吸能效率降低。相比之下，负泊松比结构在压缩载荷下横向收缩，从而减少对外壁的挤压，并实现更稳定的变形模式。将负泊松比结构纳入返回舱缓冲系统可以有效缓解传统正泊松比结构相关的变形不稳定和非均匀载荷传递问题。

基于上述动机，本研究受啄木鸟喙几何形态启发，提出了一种具有可调节泊松比的旋转星形蜂窝（RSH）结构。第 2 节介绍了结构设计，描述了在轴向和斜向载荷条件下进行的准静态和动态试验，并验证了有限元模型的准确性。第 3 节建立了结构在轴向载荷下弹性和塑性变形阶段的理论模型，并使用有限元模型评估了其准确性。第 4 节进一步研究了几何角度和载荷偏转角对结构力学性能、变形模式和吸能特性的影响。将提出的 RSH 结构的 SEA 与几种代表性蜂窝结构在轴向准静态压缩和高速冲击条件下的 SEA 进行了基准比较，证明其具有优异的吸能性能。

章节片段

结构设计

返回舱在完成模块分离、再入大气层、降落伞减速和末段减速后完成着陆，如图 1(a) 所示。着陆时，冲击载荷首先作用于返回舱底部的缓冲系统，通过缓冲结构的压溃变形来耗散能量。通过在蜂窝缓冲层中引入负泊松比结构，传统正泊松比的载荷调节能力

弹性特性

遵循参考文献 [35] 中提出的理论框架，基于欧拉 - 伯努利梁理论推导了结构的有效弹性常数，假设胞壁变形以弯曲为主且剪切变形可忽略。当剪切变形变得显著时，预测的有效弹性常数可能会表现出一定的偏差。基于实验观察和理论分析，弹性阶段的弹性特性主要

轴向压缩下几何角度对力学性能的影响

为了研究几何构型如何影响结构的准静态压缩和高速冲击响应，选择 θ2 作为设计变量。建立了 θ2 = 140°、180° 和 220° 的箭头形几何单元。通过旋转这些单元构建三个基本胞元，即 RSC-1、RSC-2 和 RSC-3。使用这三个基本胞元，引入定向增强来设计六种具有定向增强特性的胞元构型，如

结论

受啄木鸟喙几何形态启发，设计了一种旋转星形蜂窝（RSH）。通过对 RSH 进行定向增强，改变了结构的横向变形机制，实现了从正泊松比效应到负泊松比效应的转变。据此，构建了 RSH-x-i 和 RSH-y-i 负泊松比结构，实现了可调节的泊松比行为。实验和有限元结果表明

作者声明

Lu Jin：构思、方法学、调查、形式分析、撰写 - 审阅与编辑、资源。Tianlong Sun：方法学、软件、调查、形式分析、可视化、撰写 - 原稿。Ming Li：软件、调查。Xiaokai Wang：调查。Rongqiang Liu：资金获取。Wei Sun：调查。Haiyang Zhang：软件。Zehua Chai：形式分析。Dake Tian：资金获取、资源、监督。

CRediT 作者贡献声明

Lu Jin：撰写 - 审阅与编辑、方法学、调查、形式分析、构思。Tianlong Sun：撰写 - 原稿、软件、方法学、调查、形式分析。Ming Li：软件、调查。Xiaokai Wang：调查。Rongqiang Liu：资金获取。Wei Sun：调查。Haiyang Zhang：软件。Zehua Chai：形式分析。Dake Tian：监督、资源、资金获取。

Lu Jin|Tianlong Sun|Ming Li|Xiaokai Wang|Rongqiang Liu|Wei Sun|Haiyang Zhang|Zehua Chai|Dake Tian

沈阳建筑大学土木工程学院，中国沈阳 110168