M300手性拓扑结构在准静态与爆炸诱导压缩下的能量吸收性能

《Engineering Structures》：Energy-absorption performance of M300 chiral topologies under quasi-static and blast-induced compression

　　

本研究评估了通过选择性激光熔融（Selective Laser Melting, SLM）制备的高强度M300马氏体时效钢手性多孔点阵结构在防爆系统中的能量吸收性能。壁厚0.15 mm的六手性（Hexachiral, HX）结构在准静态（Quasi-Static, QS）压缩与采用爆炸驱动激波管（Explosive-Driven Shock Tube, EDST）的爆炸诱导动态加载下进行了测试。实验数据验证了采用经分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB）试验标定的列表式Johnson-Cook本构关系的LS-DYNA数值模型。数值与实验定量参数差异低于8%，其中HX能量吸收在准静态下吻合于+1.3%，在爆炸下吻合于?7.9%。验证模型进一步评估了五种附加拓扑——三手性（Trichiral, TRC）、四手性（Tetrachiral, TC）、反四手性（Anti-Tetrachiral, AT）、混合手性（Hybrid Chiral, HCC）与重入手性拉胀（Re-entrant Chiral Auxetic, RCA）——以比较变形机制。结果表明HX在各工况下维持稳定的转动主导坍塌，具备更优的平台应力与比能量吸收（Specific Energy Absorption, SEA）（准静态686.0 J/kg、EDST 660.0 J/kg）。反之，瞬态爆炸加载显著改变其余几何性能：RCA极具竞争力，能量吸收提升42%（34.12 J至48.33 J）且强负泊松比（?1.08），而AT能量吸收降低近50%（49.35 J至24.83 J）。研究确认增材制造M300手性结构在现代防护系统中具备显著潜力，为高强度爆炸能缓释提供了高效途径。

研究背景方面，传统防爆、抗弹及高速冲击防护系统多采用夹层结构，以高塑性吸能材料/结构作芯层；薄壁多孔结构因渐进胞元坍塌与受控屈曲机制，同等质量下耗能远优于实体板。激光金属增材制造（如SLM、直接金属激光烧结）使复杂二维手性拓扑得以用铝、钛、不锈钢等合金实现。负泊松比（Negative Poisson's Ratio, NPR）拉胀结构较正泊松比结构吸能更优，重入蜂窝（Re-entrant, RE）、双箭头（Double Arrow-head, DA）、星型蜂窝（Star-Shaped Honeycomb, SSH）等已广受关注，但手性拓扑在极端爆炸环境中的系统性数据仍有限。既有手性研究多聚焦准静态力学行为或中低应变率SHPB冲击，高强马氏体时效钢M300增材手性芯层在爆炸驱动激波管（EDST）下的表现属明显空白。为此，研究人员以M300为材料、SLM成型六手性（HX）为主验证对象，拓展至五种手性变体，在准静态与EDST两类载荷下厘清拓扑—变形机制—吸能映射关系。论文发表于《Engineering Structures》。

关键技术方法上，研究人员采用TruPrint 1000设备以SLM制备M300（MS1粉末）薄壁（t=0.15 mm）HX试样，以Keyence VHX-6000数字显微镜质控壁厚（实测0.120–0.165 mm，取均值0.15 mm）。实验分两路：准静态压缩与EDST爆炸诱导压缩；本构采用经SHPB标定的列表式Johnson-Cook模型，于LS-DYNA中重建边界条件并验证（HX数值—实验量化偏差<8%）。随后以同一验证框架对TRC、TC、AT、HCC、RCA五类拓扑做EDST数值模拟，统一约束包络尺寸（H≈56–61 mm、L≈56–62 mm、W=60 mm）、相对密度（5.4±0.2%）与壁厚。吸能指标依名义应力—应变、平台应力σ_pl、总吸能EA（积分至密实应变ε_d）及比能量吸收SEA=EA/m计算。

研究结果部分，引言指出手性结构在防护系统中潜力未被充分挖掘，既有文献偏铝/不锈钢/聚合物低强材料，缺M300高强增材芯层EDST数据。问题描述中界定目标为SLM-M300二维手性芯层在QS与EDST压缩下表现，方法链含制造—实验—数值验证—多拓扑推广四阶段。手性结构描述小节列明六种拓扑几何 invariant（HX、TRC、TC、AT、HCC、RCA），统一相对密度约5.4%与t=0.15 mm；M300试样制造小节给出SLM参数（激光功率175 W、光斑55 μm、扫描速度250 mm/s、层厚0.04 mm、氩气保护）。能量吸收指标小节定义σ=F/A、ε=δ/δ₀、平台应力与SEA公式体系。

经实验与验证模拟，HX在QS下SEA达686.0 J/kg、EDST下660.0 J/kg，数值吻合度+1.3%/?7.9%；其坍塌始终由节点转动主导，平台应力稳定。爆炸瞬态加载下其余拓扑响应分化：RCA吸能从34.12 J增至48.33 J（+42%），NPR达?1.08，呈强拉胀与高体积吸能；AT吸能从49.35 J跌至24.83 J（近?50%），反手性连接在动力载下未显优势。TRC、TC、HCC介于其间，HCC因较早密实化与混合变形具一定竞争力，但整体不及HX稳健。

讨论与结论部分，研究人员指出高强M300增材手性结构填补了防爆芯层材料强度档位空白；HX因转动机制对载荷率不敏感，QS与EDST吸能衰减仅约3.8%，适合作为宽频防护芯层基准拓扑。RCA在瞬态爆炸下逆势走强，提示拉胀重入手性可作动态专用芯层；AT则警示反手性几何不能默认等价于高动载吸能。研究确认增材制造M300手性点阵在现代防护系统中具备显著潜力，以高效方式缓释高强度爆炸能，后续可沿梯度HX、混杂手性—反手性耦合及亚尺度层次化方向拓展。

结论原文浓缩如下：研究人员证实SLM成型M300薄壁手性拓扑在QS与EDST压缩下具备可预测且高效的吸能能力；HX以转动主导坍塌提供最优稳健SEA（686.0/660.0 J/kg），数值模型偏差<8%；瞬态爆炸显著重构非HX拓扑排序，RCA吸能+42%且ν≈?1.08，AT吸能?50%；增材手性芯层为高强防爆系统提供新选项。