《Chinese Journal of Mechanical Engineering》：Energy absorption performances of lattice structures with unevenness strut diameter under uniaxial compression
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为解决传统晶格结构因内部杆径均匀分布而难以同时提升能量吸收与减重效果的问题，本文针对面心立方（FCC）晶格结构，通过设计非均匀杆径分布（如垂直强化VSFCC等构型），结合实验与有限元模拟，系统研究了非均匀性对能量吸收性能的影响。结果表明，VSFCC构型在相同质量下比均匀构型（UFCC）的比吸能（SEA）最高提升108.02%，峰值压溃力（PCF）增幅约110%，且在相同PCF下可实现相对密度降低与SEA提升的协同优化。该研究为轻量化抗冲击结构的设计提供了新思路。
在航空航天、汽车制造和轨道交通等领域，对兼具高强度、低重量和优异抗冲击性能的材料需求日益迫切。晶格结构作为一种新型轻质高性能力学材料，以其高比强度、高比吸能等特性成为理想候选。然而，传统晶格结构（如基于杆件的结构）内部杆径通常均匀分布，这种均匀性限制了其能量吸收效率与轻量化潜力的进一步提升。如何通过结构创新，在保证或降低重量的同时显著提升能量吸收能力，是当前面临的关键挑战。针对这一问题，一项发表于《Chinese Journal of Mechanical Engineering》的研究，以面心立方（FCC）晶格结构为对象，探索了通过引入杆径非均匀分布来打破均匀性限制的新途径。
为了系统回答上述问题，研究人员综合运用了数字光处理（DLP）光固化3D打印技术制备样品，通过INSTRON电子万能试验机进行准静态单轴压缩实验以获取基础力学性能和结构响应数据，并利用LS-DYNA建立了经实验验证的有限元分析模型，对不同非均匀设计方案的力学行为和能量吸收性能进行了高效的参数化分析与比较。
4.1. 非均匀杆径分布FCC晶格结构的能量吸收
研究人员基于FCC晶胞的空间特征，设计了四种非均匀杆径分布构型：水平强化（HSFCC）、水平交叉强化（HCSFCC）、垂直强化（VSFCC）和垂直交叉强化（VCSFCC）。通过有限元分析对比了它们与均匀杆径FCC（UFCC）结构在相同质量下的力-位移曲线和能量吸收曲线。研究发现，在相同质量下，VSFCC构型获得了最高的总吸能（EA）。与UFCC构型相比，VSFCC的比吸能（SEA）和峰值压溃力（PCF）分别提升了108.02%和102.1%。尽管PCF显著增加，但SEA的提升更为突出。研究指出，基于VSFCC的非均匀杆径分布方案是实现材料高效利用的最有效策略，它能在降低峰值压溃力的同时获得较高的比吸能值。
4.2. VSFCC晶格结构的能量吸收
本部分深入分析了具有不同相对密度（ρ）和均匀度（x，定义为基体杆半径R0与强化杆半径R之比）的VSFCC结构的能量吸收性能。研究表明，对于相同相对密度的VSFCC结构，其EA值均显著高于同质量的UFCC结构。SEA值随均匀度x的减小先增大后减小。以相对密度为0.11的0.6-VSFCC-0.6结构为例，当均匀度较大时，结构变形呈现稳定的逐层塑性折叠；当均匀度减小至0.404时，SEA达到最高，变形模式仍为逐层折叠但层间折叠顺序发生变化；当均匀度进一步减小时，结构变形从逐层折叠转变为整体弯曲，导致平均压溃力和SEA迅速下降。对于高相对密度（如0.9-UFCC-0.9对应系列）的VSFCC结构，当均匀度较高时，未出现明显的屈曲阶段和逐层折叠；随着均匀度降低，PCF值显著增加，但结构整体弯曲趋势加剧，SEA值在均匀度为0.347时达到最大，之后因整体弯曲现象明显、压溃力下限大幅降低而导致SEA值快速下降。PCF值的变化趋势与SEA类似，但也需在均匀度非常小（接近极限值0）时才会因结构过早失稳而出现下降。
4.3. 最优VSFCC晶格结构与相对密度的关系
分析表明，不同相对密度的VSFCC结构均存在一个最优均匀度，使得结构的能量吸收性能达到最佳。最优VSFCC结构相比传统UFCC结构，其SEA值最大可提升108.02%，且随着相对密度增加，SEA提升率呈下降趋势，而PCF的提升率稳定在110%左右。研究进一步考察了在固定PCF值下，最优VSFCC结构与UFCC结构的性能对比。结果显示，最优VSFCC结构能在相同PCF下，实现相对密度的降低（即减重）和SEA值的提升。例如，当PCF为1100 N时，最优VSFCC结构可实现最大55.63%的减重，但SEA提升最小（7.95%）；当PCF为800 N时，可实现最大27.95%的SEA值提升，但减重效果最低为49.18%。这说明了VSFCC结构在特定性能目标下具有可定制的设计潜力。
5. 结论
本研究基于空间特征和杆径尺寸，提出了四种非均匀杆径FCC晶格结构。通过单轴压缩下的有限元模拟，验证了新型VSFCC结构具有高能量吸收特性。主要结论如下：(1) 与非均匀杆径分布的其他构型（HSFCC、HCSFCC、VCSFCC）相比，VSFCC构型最大化了材料的有效利用，同时提升了PCF和SEA值。(2) 在相同质量下，与均匀杆径UFCC结构相比，VSFCC结构在显著提升SEA值的同时，PCF值也以几乎相同的速率大幅增加。(3) 在相同PCF值下，与UFCC结构相比，VSFCC结构能以最小的相对密度实现其比吸能的提升。相对密度降低得越小，比吸能的增加就越大。(4) 在单轴压缩载荷下，VSFCC结构表现出不同的变形机制：逐层折叠、轻度整体弯曲和严重整体弯曲。这与相对密度和均匀度相关，并决定了此类结构是否表现出高能量吸收特性。
该研究通过创新的非均匀杆径设计策略，成功打破了传统均匀晶格在性能提升上的瓶颈，明确展示了VSFCC构型在协同提升比吸能和实现轻量化方面的卓越潜力。这不仅为点阵结构的能量吸收设计提供了新的理论依据和优化方向，也为其在航空航天、交通运输等领域的轻质抗冲击部件应用开辟了新的可能性，具有重要的工程参考价值。
