具有梯度复合拉胀芯层的夹层环的横向压缩响应与能量吸收特性

《International Journal of Solids and Structures》：Lateral compressive response and energy absorption characteristics of sandwich rings with graded composite auxetic core

　　

摘要
受拉胀概念和天然竹子的径向梯度特征启发，提出了一种新型拉胀超材料夹层环 (SAMR)，其由基于径向梯度花生形孔的拉胀芯组成。通过准静态压缩实验和有限元分析，对比研究了由聚乳酸 (PLA) 和热塑性聚氨酯 (TPU) 制成的 SAMR 的横向力学响应。变形模式和力学响应表明，由于面板的存在，PLA 和 TPU 环的吸能能力分别比其对应的拉胀芯提高了 55.9% 和 45.9%。此外，橡胶填充显著增强了 PLA 和 TPU 环的结构刚度，与未填充的 SAMR 相比，最大压溃力分别提高了 17.3% 和 81.8%。值得注意的是，TPU 复合环的吸能改善程度优于其 PLA 对应物。总吸能和比吸能分别增加了 78.6% 和 35.7%，而 PLA 复合环的吸能没有显著增强。这种差异可归因于 PLA 环的脆性断裂。相比之下，TPU 环由于其优越的柔韧性表现出渐进式坍塌，从而延迟了致密化并使其能够承受更高的平均压溃力。此外，比较了三种类型的穿孔以突出花生形穿孔的优势。随后，进行了参数分析以确定每个设计参数的贡献，并给出了最佳配置，以在保持结构稳定性的同时最大化吸能效率。最后，阐述了性能评估和潜在应用。

引言
管状结构因其重量轻以及在横向载荷下优异的力学性能，已成为交通运输 (Hou et al., 2025, Wang et al., 2019, Xu and Bai, 2025)、航空航天 (Hang et al., 2026, Nian et al., 2025)、建筑工程 (Jin et al., 2024, Mi et al., 2020, Wang et al., 2026) 和海洋工程 (Song et al., 2025, Zhang et al., 2024b) 中不可或缺的功能、防护和承重组件。然而，传统管状结构在横向压缩下容易发生局部失稳。此外，其力 - 位移曲线表现出过早致密化，导致吸能效率有限 (Shabani et al., 2021)。因此，提高管状结构在横向载荷下的变形稳定性和吸能性能已成为与结构安全和可靠性相关的关键问题。

关于管状结构横向压缩行为的研究已广泛展开。为了增强其力学性能，泡沫填充、橡胶增强和多材料复合材料等策略已被广泛采用 (Günayd?n et al., 2023, Huo et al., 2023, Xiang et al., 2024, Yao et al., 2022)。Li 等人 (2020) 实验研究了泡沫填充铝/CFRP 混合管的横向压缩行为。结果表明，泡沫填充物与混合管之间存在显著的相互作用效应，导致其承载和吸能能力远超各组件之和。Meri? 等人 (2026) 制造了具有圆形、正方形和六边形横截面的碳纤维增强铝/钢混合复合管，发现单层混合配置表现出增强的吸能能力。Zhang 等人 (2024a) 进一步研究了铝/CFRP 混合管的压溃行为，证明增加层数和调整加载角度能有效改善失效模式并增强吸能能力。在结构优化方面，Li 等人 (2021) 提出了一种结合多波纹和多单元配置的新型薄壁管设计，并采用基于综合熵法的多目标优化方法确定波纹增强多单元管的最佳几何参数。Kuleyi?n 等人 (2024) 开发了基于机器学习的模型，能够预测不同类型管的压缩行为和冲击力。尽管取得了这些进展，但在横向压缩下，传统填充管状结构仍表现出相对简单的变形模式、较低的吸能能力，且容易发生局部塑性应变集中 (Yang et al., 2020)。因此，最佳管状结构设计对于在保持功能性和结构稳定性的同时实现高吸能至关重要。

将拉胀超材料概念引入管状结构提供了一种替代方案，这是因为具有独特负泊松比定义的拉胀超材料具有优异的吸能能力 (Etemadi et al., 2024, Solak and Orhan, 2024, Wu et al., 2025, Wu et al., 2026, Zhou et al., 2025b)。当受到压缩时，拉胀超材料会向加载区域收缩和致密化，从而增强局部承载能力并延迟整体坍塌 (Cheng et al., 2022)。这种独特的变形主要源于其新颖的蜂窝结构拓扑，即内凹、手性、穿孔结构等。因此，将这种拉胀结构集成到传统薄壁管中，为创造新型轻质薄壁管以克服吸能性能瓶颈提供了巨大潜力。Lee 等人 (2019) 研究了拉胀管的碰撞性能，并将其与传统结构和蜂窝结构进行了比较。结果表明，在低速冲击条件下，拉胀管表现出更高的比吸能、更低的减速度和更稳定的阻尼性能。Zhou 等人 (2025a) 设计了一种梯度拉胀管，并通过三点弯曲试验评估了其性能，证明与非拉胀管相比，其吸能和承载能力更优。He 等人 (2025) 提出了一种拉胀管增强超材料，证明与原始拉胀管相比，增强型拉胀结构在准静态压缩下表现出显著改善的吸能和抗撞性。此外，Liu 等人 (2025) 基于拉胀蜂窝引入了一种分形自相似设计。通过诱导中间层的协同变形，该设计有效抑制了由剪切带形成引起的整体失稳，实现的比吸能和总吸能值分别比均匀结构高 5.81 倍和 10.74 倍。

此外，为了进一步实现管状结构中可调节的力学性能并提高设计灵活性，许多研究专注于从自然中汲取灵感的仿生设计 (Baratian Sani Devin et al., 2025, Gao et al., 2023, Ghoddousi et al., 2025, Jin et al., 2022, Wu et al., 2023)。如图 1 所示，各种管状结构的设计理念源自生物启发，如蜘蛛网 (Xie et al., 2026)、莲藕茎 (Shi et al., 2024)、仙人掌 (Chen et al., 2024) 和木贼茎 (Niu et al., 2024)。在这些仿生策略中，梯度设计通过定向调整几何参数实现渐进式变形和应力重新分布，有效延迟致密化并增强吸能 (Cai and Deng, 2026)。例如，Zhang 等人 (2024c) 提出了一种具有梯度厚度的新型 Sierpinski 三角形分形柱，以提高薄壁结构的压溃稳定性和吸能。Xie 等人 (2023) 开发了一种厚度变化的阶梯壁圆管和一种多管吸能结构，以减少传统薄壁管的初始峰值力和载荷波动。Zhang 等人 (2026) 开发了一种分层正弦波增强圆管，通过降低峰值压溃力、增强载荷稳定性和提高吸能效率来改善抗撞性。受维多利亚睡莲叶分层叶脉的启发，Hou 等人 (2026) 提出了一种新型仿生多单元管，证明与常规多单元管相比，其比吸能至少提高了 40%。这些研究表明，包括分层结构和梯度设计在内的仿生策略，为提高管状结构的承载稳定性和吸能性能提供了有效途径。

尽管上述研究取得了令人鼓舞的吸能性能，但其力学响应仍受结构拓扑支配。此外，现有研究主要集中在受轴向压缩或冲击载荷的管状结构上，而其横向压缩行为受到的关注有限。特别是，梯度结构、拉胀效应和填充增强在夹层环结构中的协同集成仍然相对未得到探索。

基于此，提出了一种受竹子横截面径向梯度特征启发的新型拉胀超材料夹层环 (SAMR)。SAMR 集成了径向梯度穿孔拉胀芯与面板，以实现协同变形和载荷传递，同时将硅橡胶填充到穿孔中以调节压溃变形并增强能量耗散，从而实现稳定的渐进式变形、高承载能力和高效吸能。通过准静态压缩实验和有限元分析，系统研究了由聚乳酸 (PLA) 和热塑性聚氨酯 (TPU) 分别制成的未填充环和复合环之间的力学响应差异。同时，提供了三种类型穿孔的全面比较，以解决花生形穿孔的优势。此外，全面分析了孔形系数、填充率和径向层数对变形模式和吸能特性的影响，以确定它们的贡献。本研究为具有增强吸能的轻质管状环提供了新见解，以供潜在的管状结构保护应用。

章节片段

拉胀夹层环的仿生结构设计
竹子是一种分布广泛的天然生物材料，具有低密度、高强度和优异韧性的特征。作为一种典型的管状结构，竹子具有独特的多孔梯度结构，从而产生出色的力学性能。受竹子横截面的径向梯度形态和拉胀概念启发，提出了一种具有径向梯度拉胀芯的拉胀超材料夹层环 (SAMR)，如图 2 所示。SAMR 的拉胀芯

试样制备
拉胀框架使用由 Bambu Lab 制造的 3D 打印机上的熔融沉积成型 (FDM) 技术制造。打印过程中采用 100% 的填充密度。选择聚乳酸 (PLA) 和热塑性聚氨酯 (TPU) 作为打印材料，两者均由 Bambu Lab 提供，原因是它们具有不同的力学性能。PLA 和 TPU 的打印床温度分别设置为 210 °C 和 230 °C。层高设置为 0.1 mm。The

结果与讨论
为了探索环结构的力学响应，将 SAMR 与其芯进行比较，以显示内外面板的贡献。此外，通过比较 SAMR 及其复合组件来研究填充策略的贡献。随后，讨论了三种类型穿孔配置之间的差异。

参数分析
随后进行系统的参数分析，以确定复合环的最佳梯度设计策略和关键几何参数。本节采用的材料参数与表 2 中列出的一致。

性能评估
为了进一步评估所提出的 SMARs 的吸能性能，将所提出的 SMARs 的表观密度 - 吸能能力与几种现有的管状结构进行比较，包括蜂窝板 (HPs) (Wang et al., 2026)、甲虫鞘翅板 (BEPs) (Wang et al., 2026)、中甲虫鞘翅板 (MBEPs) (Wang et al., 2026)、拉胀蜂窝圆管 (AHCTs) (Zhou et al., 2025b)、CFRP 骨架填充管 (CFTs) (Zhu et al., 2021)、黄铜

结论
本研究提出了一种仿生 SAMR 的设计，然后通过准静态横向压缩实验和数值模拟系统地研究了其变形机制、失效行为和吸能特性。全面比较了打印材料（脆性 PLA 和柔性 TPU）、填充策略和穿孔配置的影响。此外，对复合环进行了参数分析，以检查设计的影响

CRediT 作者贡献声明
袁玉通：写作 – 初稿，资源，方法论，调查。王辉：写作 – 审查与编辑，监督，方法论，概念化。

竞争利益声明
作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢
衷心感谢海南省重点研发项目 (编号：ZDYF2024GXJS029) 提供的财政支持。

袁玉通 | 王辉