一种星形连接的旋转蜂窝结构，具备多级平台响应特性，从而实现更好的能量吸收和结构稳定性

《Structures》：A star-connected rotating honeycomb structure featuring multi-stage plateau response for enhanced energy absorption and structural stability

　　摘要：旋转蜂窝结构由于其多阶段平台响应而在能量吸收方面受到了越来越多的关注。然而，大多数现有设计基于简单的四边形框架连接，这限制了结构设计空间，并限制了平台阶段分离和变形稳定性的进一步提高。为了解决这些限制，在简化的旋转单元中引入了星形连接，提出了一种新型的星形连接旋转蜂窝（SCRH），以提高能量吸收和结构稳定性。通过实验和有限元（FE）模拟研究了SCRH的准静态压缩响应。结果表明，所提出的结构经历了渐进且可控的顺序变形过程。SCRH降低了第一阶段的平台应力，有利于柔性缓冲，同时在后续压碎阶段保持较高的承载能力。第二阶段的平均平台应力比第一阶段高286.96%，第三阶段的平均平台应力比第二阶段进一步增加了266.29%。这些结果证实了明显的层次化平台响应。进一步进行了参数研究，以明确关键几何参数对SCRH机械性能的影响。与传统蜂窝配置相比，SCRH显示出更稳定的变形、更清晰的平台阶段分离以及增强的能量吸收能力。本研究为具有可调多阶段能量吸收的轻质防护结构提供了一种有效的设计策略，在冲击防护、耐撞性设计、运输安全和多灾害工程防护方面具有潜在应用。

引言：在复杂的服务环境中，结构承载安全、变形控制和能量耗散能力长期以来一直是工程防护和结构韧性增强领域的关键关注点，并且已经进行了大量关于结构性能改善和响应调节的研究[[1], [2], [3]]。随着航空航天工程、防护基础设施、铁路运输、建筑减振和特殊设备对轻量化高效防护结构需求的增加，先进的蜂窝结构由于其高比强度、可控变形和出色的能量吸收能力而引起了相当大的关注[[4], [5], [6], [7]]。在包括冲击、压缩和爆炸在内的复杂加载条件下，这些结构需要提供足够的承载和能量耗散能力。它们还应通过渐进和可控的变形或失效机制来保护主结构[[8], [9], [10], [11], [12], [13]]。然而，传统蜂窝通常在压碎过程中只表现出一个平台阶段，这限制了它们的能量吸收潜力[[14]]。此外，局部压碎和过早的不稳定性可能会降低变形稳定性并损害整个结构的完整性[[15]]。因此，有必要开发能够在保持高整体稳定性的同时产生多阶段平台响应的新蜂窝配置。这样的结构有望在极端和复杂的服务条件下实现更好的机械性能[[16]]。最近关于辅助蜂窝的研究主要集中在通过修改单元格几何形状来改善其机械响应[[17,18]]。凹形和星形蜂窝是两种具有负泊松比的代表性配置。它们的横向收缩特性有助于在压缩过程中提高能量吸收[[19,20]]。然而，更强的辅助响应并不一定意味着更好的整体性能。当负泊松比过于明显时，变形可能会变得高度局部化，导致严重的单元格压碎，在某些情况下甚至会导致整个结构的不稳定[[21,22]]。因此，提出了几种增强型辅助蜂窝配置来解决这些问题，如图1(a)所示。例如，Zhu等人[23]在凹形蜂窝中嵌入了椭圆形组件，使得平台应力比传统凹形配置高出171.63%。Zhang等人[24]采用了一种不同的方法，在箭头形结构中引入了不均匀的壁厚，从而在压缩过程中产生了额外的平台区域。Li等人[25]在星形蜂窝中加入了 diagonal ribs，这些肋条限制了沿对角线的倒塌并提高了变形过程的稳定性。Wei等人[26]在星形单元的两侧附加了三角形组件，从而增加了其变形能力并产生了二次平台响应。这些研究表明，局部增强可以提高辅助蜂窝的承载和能量吸收性能。一些增强设计也能够表现出两个不同的平台阶段。然而，当结构受到复杂或极端加载条件时，它们的有效性可能仍然不足。单独的二次平台不一定能提供足够的能量吸收或可靠的倒塌控制。这样的结构可能仍然表现出有限的变形模式、过早的局部化或连续倒塌阶段之间的不稳定过渡[[27], [28], [29], [30]]。这表明需要进一步发展，以实现具有更稳定和可预测的渐进变形以及更多可控平台阶段的蜂窝结构[[31,32]]。为了增加平台区域的数量，最近的研究探索了基于单元格旋转、混合结构布置和空间分级设计的多平台蜂窝[[33]]，如图1(b)所示。例如，Chen等人[34]引入了一种特殊连接的三角配置，实现了可控的旋转变形并产生了多个平台阶段。Zhang等人[35]通过结合星形单元和等边三角形单元提出了一个混合蜂窝，产生了具有多阶段平台响应的双向结构。Liu等人[36]采用了一种生物启发式的层次梯度策略来构建自相似的凹形蜂窝。由此产生的仿生层次梯度蜂窝表现出三个明显的平台阶段。受鹿角的启发，Zhang等人[37]开发了一种具有渐进变形特性的梯度复合层状蜂窝，形成了一个多平台能量吸收结构。尽管已经报道了几种实现多阶段平台响应的几何策略，但基于混合配置和梯度架构的可用设计仍然有限。只有少数代表性配置被开发出来。相比之下，大多数多平台结构基于旋转变形机制。这一概念首次由Li等人[38]系统地研究，他们提出了一种具有层次化旋转单元的可编程机械超材料。由于其可编程的机械响应，该结构表现出多步骤的变形路径，并为开发具有可控多阶段平台行为的蜂窝提供了重要基础。如图1(c)所示，已经做出了大量努力来增强旋转多平台结构的变形行为和能量吸收性能。在大多数研究中，通过改变旋转单元的几何形状或引入内部增强元素来修改旋转方形单元。这些设计策略在控制倒塌顺序方面提供了更大的灵活性，并使得三阶段平台响应成为可能。例如，Wang等人[39]在旋转蜂窝中添加了圆形增强元素，并开发了一种圆形增强正弦配置。Kang等人[40]在旋转蜂窝的方形单元内放置了增强型星形单元，从而在压缩过程中提高了能量耗散。Zhang等人[41]用风车形单元替换了原始方形单元，风车几何形状提供了额外的内部支持，有助于稳定变形过程并提高了整体能量吸收能力。Li等人[42]在旋转方形单元周围布置了星形元素，他们的结构表现出三个明显的平台阶段并保持了相对较高的能量吸收水平。Li等人[43]进一步将设计从二维扩展到三维，提出了一种各向异性的旋转凹形蜂窝，在三维空间中表现出明显的多阶段变形特性。尽管这些结构在几何形状上有所不同，但大多数报道的修改都遵循类似的设计路线。它们要么改变旋转单元的形状，要么在原始单元内部或周围添加增强组件。相比之下，对于相邻单元之间的连接方式关注较少。在许多现有的旋转蜂窝中，基本的连接模式保持不变，四个方形单元仍然直接组装形成主结构模块。虽然这种安排简单易构建，但它限制了压缩过程中的可能变形路径。这也限制了开发具有根本不同配置的旋转蜂窝的自由度。因此，仅仅改进单元几何形状可能不足以进一步提高多阶段响应。还应考虑相邻旋转单元之间的新连接方案。重新组织连接架构可以释放额外的变形模式，改善渐进倒塌的可控性，并将设计范围扩展到传统的四方形组装之外。这种方法可能为开发具有更稳定多阶段平台行为和改进能量吸收性能的新旋转蜂窝提供一条实用途径。许多现有多平台蜂窝的另一个问题是，它们的平台阶段的应力水平往往过于接近[[44]]。结果，多阶段响应的优势无法得到充分利用。在压缩或冲击加载下，第一个平台处的过高应力可能在变形开始时产生较大的反作用力，这对被保护部件可能有害[[45]]。在多灾害防护场景中，这一点尤为重要。在这种情况下，结构在初始阶段应该相对柔和地响应，以减少传递的冲击力，而在变形过程中提供更强的抵抗力[[46,47]]。基于这一要求，本研究旨在开发一个平台应力水平分离良好的蜂窝。第一个平台旨在提供缓冲响应并限制初始冲击力。相比之下，最后一个平台应该承受更高的压缩载荷并吸收更多的能量。通过这种方式，结构可以结合早期保护和后期承载能力，而不是在整个变形过程中依赖几乎均匀的抵抗力。为了实现这一目标，提出了一种称为SCRH的星形连接旋转蜂窝。与传统通过四方形连接模式组装的旋转蜂窝不同，SCRH采用星形连接来连接相邻的旋转单元。这种连接架构的变化创造了额外的变形路径，使倒塌过程以更渐进的方式发展。因此，所提出的结构表现出三个清晰可辨别的平台阶段，以及稳定的变形和高能量吸收能力。因此，SCRH为设计具有可控多阶段机械响应的旋转蜂窝提供了另一种途径。本文的其余部分安排如下：第2节描述了SCRH的几何设计并概述了整个研究程序。第3节检查了其在准静态压缩下的机械响应，并讨论了相关的变形机制。第4节评估了关键几何参数的影响，并将SCRH与几种代表性蜂窝结构在承载能力和能量吸收性能方面进行了比较。最后，第5节总结了主要结果，并提出了关于所提出结构的变形行为和能量吸收特性的主要结论。

结构设计概念：为了解决传统旋转蜂窝中常见的拓扑灵活性有限和局部不稳定性问题，本研究开发了一种新的星形连接旋转蜂窝（SCRH）。关键思想是通过可调的星形连接器来连接简化的旋转单元，而不是依赖传统的直接组装模式。如图2(a)所示，原始的刚性块首先被重新设计为轻质、可变形的四边形单元。对角倾斜的构件...

实验设置：FE模型通过准静态压缩实验进行了验证。然后将测量结果与数值预测进行了比较。如图7所示，SCRH试样被放置在通用测试机的压缩平板之间，特别注意将其与加载轴对齐。相机记录了整个测试过程中的试样变形。压缩以2毫米/分钟的恒定速率施加。在相同的条件下测试了三个试样...

工程应用可能需要对具有不同总体尺寸和单元格布局的蜂窝结构。因此，有必要确定改变单元格数量是否会影响SCRH的机械响应。在本研究中，所有配置的每个单元格的几何参数和壁厚保持不变，仅改变了单元格的数量和排列方式，这自然导致了不同的总体结构尺寸。图13...

结论：本研究开发了一种星形连接旋转蜂窝（SCRH），以解决传统旋转蜂窝的几个限制，包括受限的连接模式、有限的几何灵活性和分离不良的平台阶段。通过准静态实验、有限元模拟和参数研究对其压缩行为和能量吸收性能进行了检验。主要研究结果总结如下：

(1) 在准静态压缩条件下，SCRH团队的作者贡献如下：
- 张启鹏：撰写初始稿件、数据可视化、结果验证、软件开发、研究方法设计、数据整理以及概念框架的构建。
- 沈少东：参与审稿与编辑工作、提供项目监督、负责项目管理、资金筹措以及概念框架的构建。
- 贾杰：负责数据可视化、研究方法设计以及概念框架的构建。
- 李志远：负责数据可视化、研究方法设计以及概念框架的构建。
- 梁慧琦：提供项目监督以及研究方法设计。

利益冲突声明：
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢：
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52508538和52125802）的财政支持。

作者信息：
张启鹏 | 沈少东 | 贾杰 | 李志远 | 梁慧琦
东南大学土木工程学院，中国南京 211189