基于生物仿生的超材料的增材制造技术，用于实现定制化的纵波传播特性

《International Journal of Mechanical Sciences》：Additive Manufacturing of Bio-Inspired Metamaterials for Tailored Longitudinal Wave Propagation

宽频带隙振动隔离超材料设计与优化研究。基于人体运动力学原理，创新性地将惯性放大机制与激光粉末床融合（LPBF）技术相结合，构建双层级联框架结构，实现248-1317Hz宽频振动抑制。通过参数化设计优化连接角度（80°）、壁厚（0.8mm）和质量块尺寸（6mm），同步提升材料轻量化与刚度抑制效果。研究证实该结构通过准零刚度（QZS）与惯性放大（IA）协同作用，在航空航天精密设备、智能机械系统等领域展现出显著应用潜力。

　　

陈宏宇|陈建仁|方翔|刘阳|王永刚|康拉德·科西巴

江苏省高性能部件激光增材制造工程技术研究中心，南京航空航天大学材料科学与技术学院，中国南京雨道街29号，210016

摘要

近年来，为了减少低频振动，人们提出了多种受生物启发的结构。然而，这些结构的复杂几何形状给传统制造方法带来了巨大挑战，传统方法往往不切实际或成本效益不高，从而限制了其卓越隔振性能的实际应用。在这项研究中，提出了一种受人体解剖结构和惯性放大（IA）机制启发的超材料，并使用激光粉末床熔融（LPBF）技术精确制造。该超材料的单元单元由两层四边形框架、一个方形弹簧结构和一个惯性放大单元组成。下层框架旨在模拟人体腿部和肌肉的支撑和阻尼功能，上层框架则模拟手臂摆动的惯性效应，从而增强低频振动隔离能力。本研究系统地探讨了结构参数（包括连接角度（θ）、壁厚（e）和质量块尺寸（a）对LPBF制造的超材料隔振性能的影响。有限元建模和实验结果表明，当参数为θ=80°、e=0.8 mm、a=6 mm时，该结构表现出248 Hz至1317 Hz的超宽阻带，有效抑制了纵向振动的传播。这种卓越的隔振性能源于准零刚度（QZS）特性和惯性放大效应的协同作用。这种受生物启发的IA超材料为实现轻量化、低频振动隔离提供了一种新的设计策略，因此在精密设备、航空航天结构和智能机械系统中有潜在应用价值。

引言

在各个行业中，减轻不必要的振动是一个关键挑战，包括海洋设备中的波浪诱导振动[[1], [2], [3]]、航空航天结构中的飞行载荷诱导振动[[4], [5], [6]]、车辆运输系统中的道路激励振动[[7], [8], [9]]、超精密制造设备中的微扰振动[[10], [11], [12]]，以及土木工程建筑中的地基和结构诱导振动[[13], [14], [15]]。在这些振动相关问题中，低频振荡尤其具有威胁性，因为它们可能对机械设备的完整性、建筑物的结构稳定性和人体生理健康造成损害。随着这些低频振动的持续性和广泛传播，有效的振动隔离变得越来越重要。超材料的独特性质（与天然材料明显不同）使其最近在阻带工程和低频振动隔离领域得到了应用。Ma等人[16]通过将凹形蜂窝结构与方形单元结合，提出了一种新型分层凹形蜂窝超材料。方形单元的引入扩大了阻带宽度，有效降低了阻带的起始和截止频率。Xu等人[17]通过4D打印形状记忆聚合物，开发了一类具有可变负/零/正泊松比的超材料，证明具有零泊松比的辅助细胞结构比具有正负泊松比的类似材料具有更好的隔振性能。

近年来，受生物启发的设计为超材料的发展提供了新的视角。Chen和Wang[18,19]提出了分层生物启发复合材料，实现了多频段波过滤和振动抑制。Hu等人[20]开发了受DNA双螺旋结构启发的超材料，用于减缓低速冲击。Pham和Huang[21]引入了一种新型晶格结构，用于能量吸收和振动降低。Duan和Zhou[22]以及Zhou[23]通过结构创新实现了宽带吸收和特殊的机械性能。特别是，人体复杂的振动隔离机制为开发新型超材料结构提供了宝贵的见解。Lu[24]基于人体结构开发了一种受生物启发的超材料，并对其准零刚度（QZS）机械行为进行了表征，同时系统地研究了该超材料的动态性能和振动隔离性能。对人类生物动力学反应的广泛研究表明，下肢在宽广的频率范围内表现出卓越的振动隔离能力[25]，其共振频率可根据姿势进行调整[26]。这些自然的振动控制机制，包括肌肉和肌腱的吸能特性[27,28]以及手臂运动的稳定效应[29,30]，为超材料设计提供了全面的蓝图。然而，目前的受生物启发的超材料尚未完全复制人体的适应性和多尺度振动控制能力。这一差距激发了我们开发一种新型超材料的动力，将这些生物原理整合到一个可调的多功能振动隔离系统中。

周期性结构中阻带的形成主要通过两种不同的机制实现：布拉格散射和局部共振现象。虽然布拉格阻带受严格的布拉格条件控制，但其实际应用于低频时受到结构尺寸较大的限制，通常只能在较高频率范围内形成阻带。相比之下，局部共振机制在解决低频振动和噪声问题上表现出更好的性能。然而，这种方法通常受到共振器较大质量的要求限制，难以在最小质量下实现宽频带阻带。研究人员从单个惯性放大配置中获得灵感，成功将惯性放大结构集成到超材料设计中，实现了低质量要求的低频阻带[[31], [32], [33]]。Bennetts等人[34]对三种不同类型的一维连杆-质量-弹簧链惯性放大系统的抗共振频率和阻带范围进行了全面比较分析。Settimi等人[35]进一步扩展了这项研究，探讨了非线性对链型一维质量-弹簧-连杆惯性放大结构阻带特性的影响。在质量-弹簧模型框架的基础上，Yilmaz和Hulbert[36]探索了二维惯性放大晶格结构的阻带特性，证明它们即使在最小质量下也能在低于局部共振机制的频率下生成阻带。在这些基础研究之后，Yilmaz和Taniker[37,38]基于惯性放大阻带机制开发了创新的二维固体惯性放大单元单元，其理论预测通过计算模拟和实验验证得到了证实。Yuksel和Yilmaz[39,40]通过拓扑优化技术改进了惯性放大结构的几何配置和尺寸参数，不仅降低了整体结构质量，还获得了具有异常宽阻带特性的惯性放大超材料。Taniker和Yilmaz[41]对具有体心立方（BCC）和面心立方（FCC）配置的三维声子晶体的阻带特性进行了广泛研究，提供了关于参数对阻带特性影响的宝贵见解。在追求低频振动和噪声控制的过程中，惯性放大结构成为机械超材料研究中的一个重要焦点，因为与传统的布拉格散射机制相比，它们具有更好的阻带性能[42,43]。现有研究探讨了一维、二维和三维惯性放大结构的阻带特性，并通过拓扑优化进一步提升了其性能。然而，质量优化与阻带扩展之间的权衡仍然是一个关键挑战。

为了解决这个问题，本研究提出了一种受人体启发的惯性放大超材料，使用激光粉末床熔融（LPBF）技术制造。该结构由周期性排列的惯性放大单元组成，这些单元通过薄壁支撑元件相互连接，以优化低频振动隔离性能。为了研究其阻带特性和振动隔离能力，对两种不同方向的惯性放大单元单元进行了结构参数分析，并使用有限元模拟计算了阻带结构。从而确定了最佳几何参数。基于这种优化设计，进行了准静态拉伸测试以评估机械性能，随后进行了振动隔离实验以验证其低频振动抑制能力。这种创新设计为低频振动控制提供了一种新颖高效的解决方案，具有在精密仪器隔离、航空航天结构优化和建筑物抗震减振方面的潜在应用。特别是，所提出的超材料可以集成到航空航天部件中，以抑制结构振动并提高动态载荷下的稳定性。它还为轻量化和紧凑型工程系统中的机械振动降低提供了有前景的方法。

材料与方法

本节概述了研究方法的总体框架。它介绍了IA超材料背后的生物启发设计概念，并介绍了两种不同的结构配置：具有垂直惯性放大单元的超材料（Meta-VIA）和具有水平惯性放大单元的超材料（Meta-HIA）。后续小节描述了使用LPBF的一般制造方法以及用于分析的理论和实验方法。

仿真和实验设置

本节概述了用于验证设计和评估IA超材料性能的数值和实验设置。它描述了用于计算阻带结构和准静态拉伸模拟的有限元模型，以及用于测量谐波响应和振动传输特性的实验装置的详细配置。

结果与讨论

本节展示了研究的主要发现。它分为两部分：分析各种几何参数和配置对阻带结构特性的影响，以及研究导致观察到的低频振动隔离性能的潜在机制：准零刚度特性和惯性放大效应。

结论

在这项研究中，成功使用LPBF技术制造了一种包含惯性放大机制的受生物启发的超材料，并对其低频振动隔离性能进行了系统研究。通过模拟人体的运动特性，设计的超材料结构表现出出色的低频振动抑制能力。特别是Meta-VIA结构由于其准零刚度而显示出优异的振动隔离性能。

作者贡献声明

陈宏宇：撰写——原始草稿，撰写——审阅与编辑，方法论，研究，形式分析，资金获取，概念化。陈建仁：撰写——原始草稿，研究，数据管理。方翔：撰写——审阅与编辑，方法论，验证，概念化。刘阳：数据管理，验证。王永刚：验证，监督。康拉德·科西巴：撰写——审阅与编辑，验证。

数据可用性

数据可应要求提供。