《International Journal of Impact Engineering》：Reusable impact performance of nest–like structures for high–efficiency energy absorption
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摘要本研究聚焦于细杆随机堆积形成的巢状结构的冲击衰减和缓冲性能，旨在通过实验与数值相结合的方法，建立基于力学原理的保护性设计框架。驱动这些结构性能的关键机制在于其内在的大量接触对，这些接触对产生显著的接触耗散，从而支撑了其优异的能量吸收能力。为考虑接触对的摩擦耗散，我们提出了
摘要
本研究聚焦于细杆随机堆积形成的巢状结构的冲击衰减和缓冲性能，旨在通过实验与数值相结合的方法，建立基于力学原理的保护性设计框架。驱动这些结构性能的关键机制在于其内在的大量接触对，这些接触对产生显著的接触耗散，从而支撑了其优异的能量吸收能力。为考虑接触对的摩擦耗散，我们提出了一个改进的Iwan模型，用于描述巢状结构的准静态滞回响应。模型参数通过循环压缩数据识别，经标定的模型可复现实测的滞回曲线。鸡蛋跌落实验直观展示了巢状结构的缓冲性能。经标定的模型被扩展用于估计不同条件下鸡蛋的破碎概率，表明其在跌落缓冲场景中具有良好的适用潜力。研究结果将堆积特性、循环能量吸收与观察到的鸡蛋冲击防护效果联系起来。基于实验结果标定的概率层面模型为巢状结构的保护性设计提供了框架。此类结构可为低能量钝性冲击下易碎物体防护中的可重复使用缓冲结构提供有益的参考。
引言
在自然界中，鸟巢是由细杆自然堆积形成的低密度多孔网络结构[1]。为便于研究，鸟巢的复杂结构可简化为单分散圆柱颗粒的随机堆积[2]。巢状结构的一个关键特征是其结构完整性不依赖于连续连接。相反，大量离散接触和几何诱导约束共同促进了摩擦锁定和力学自稳定[1]，[3]，[4]。Ekman等人[5]通过将三维数值模拟与X射线断层扫描相结合，发现巢状结构中存在非泊松接触网络。此外，堆积体在整体上各向同性，但表现出随压实程度增强而增强的局部向列有序。Freeman等人[6]基于X射线断层扫描和蒙特卡洛堵塞模拟表明，接触网络由大量随机分布的接触点稳定。容器边界导致顶部和侧壁附近的接触点分布较为稀疏，而长径比与配位数呈现负相关。Guo等人[7]的离散元法（DEM）模拟和实验结果表明，增加摩擦会增大接触点处的接触力和剪应力，从而降低结构在外部激励下的流动性，同时增加其碎裂和断裂的倾向。这些特征共同表明，巢状结构是低密度、自组织和接触主导的系统，其力学行为受演化中的接触状态控制，这促使人们将其作为具有可编程耗散能力的有前景的工程介质进行探索。
巢状结构是一类有前景的能量吸收结构。在冲击缓解和振动防护的广泛背景下，各种架构材料和细胞材料已被开发以实现高能量吸收，包括可编程折纸结构[8]，[9]、晶格结构[10]，[11]，[12]，[13]和金属泡沫[14]，[15]，[16]，[17]。然而，这些材料通常缺乏可重复性。此外，双稳态结构[18]，[19]，[20]，[21]和某些基于摩擦的设计[22]的优异力学性能通常依赖于精密制造和严格的周期性控制。相比之下，在加载条件下，巢状结构通过接触的产生与消失结合局部滑移，实现可逆的结构重排和高阻尼[2]，[7]，[23]。此外，巢状结构的无序性和自适应重排能力赋予其在材料多样性、制造容差和可扩展性方面的独特优势。因此，巢状结构的低密度特性、可重复性和显著的能量耗散能力使其成为能量吸收介质的天然原型。为在设计中利用这些属性，建立系统化的实验框架和可标定的本构模型至关重要。
关于巢状结构的力学性能，现有研究已涵盖堆积统计、准静态本构行为和冲击响应[2]，[24]，[25]。尽管巢状结构内部存在固有杂乱性和随机性，但大量实验表明，巢状结构的几何和统计特征表现出可重复的统计趋势[5]，[6]，[26]，[27]，[28]，[29]。实现这种可重复性需要严格控制实验条件，如颗粒几何形状、边界效应和填充速率[24]，[30]，[31]。Zhang等人[32]通过实验和DEM模拟表明，足够高的填充速率可使巢状结构获得稳定的堆积分数。基于此结论，他们详细描述了一种标准化的填充方法。Poquillon等人[33]使用自行搭建的装置对九种编织纤维进行了实验研究。他们提出的实验范式，包括单轴压缩和循环加载，非常适合研究巢状结构的准静态力学行为。Bhosale等人[2]通过实验和模拟研究了循环加载下随机堆积细杆的力学响应。接触的形成和局部滑移被明确跟踪和建模。他们发现宏观塑性和滞回源于内部接触的产生与消失。他们对微观机制的分析为获取巢状结构稳定的滞回曲线提供了一种可复用的方法。Wang等人[25]将此视角扩展到冲击条件。实验和DEM模拟揭示，弥散波传播是应力衰减的主导机制。适度柔性的纤维可通过弯曲变形将更多动能转化为应变能，从而实现巢状结构的高效应力耗散。总体而言，目前对巢状结构的研究已建立了可重复实验和基本分析框架，但仍存在明显不足。首先，现有的本构模型无法表征巢状结构滞回曲线的不对称性和路径依赖性。此外，准静态标定的滞回模型在低能量冲击缓冲评估中的适用性仍未得到充分探索。
本文旨在建立一套关于巢状结构的综合方法论。该方法论涵盖颗粒填充、单轴循环加载、改进的Iwan模型和冲击响应评估。在第2节中，以圆柱形竹杆组成的巢状结构作为研究对象，设计了用于堆积实验和准静态循环加载实验的专用装置，并使用随机接触方程（RCE）验证了初始堆积分数与杆长径比之间的关系。第3节提出了巢状结构的改进Iwan模型并介绍了参数识别过程。改进的Iwan模型随后通过与归一化Weibull最弱链模型的结合，扩展至跌落物体防护场景。鸡蛋跌落实验用于评估本模型预测破碎概率的能力。本节末尾说明，该模型仅用于估计不同条件下的鸡蛋破碎概率，无法证明其能预测瞬态力或加速度时程。最后，第4节总结了关于巢状结构的研究成果，并展望了面向可重复使用缓冲和隔振应用的未来工作。
章节摘要
巢状结构的堆积与准静态力学响应
本节呈现巢状结构的随机堆积和力学响应。首先描述试样制备过程。选取七种代表性长度的竹杆，在约束容器中随机堆积，制备一系列覆盖不同初始堆积分数的试样。使用随机接触方程（RCE）表征杆长径比与结构初始堆积分数之间的关系。随后，本节讨论了
巢状结构的改进Iwan模型
本节为巢状结构开发并验证了一个改进的Iwan模型。首先，研究按照Yang等人[37]提出的金属-橡胶框架，对改进的Iwan模型进行了适配。其次，标定策略涉及具有不同初始堆积分数的多个试样。然后，参数识别过程在提出的策略下确定所有试样的模型参数。改进的Iwan模型预测试样的滞回
结论
本研究聚焦于细竹杆随机堆积形成的巢状结构。首先通过控制填充速率和边界效应建立了标准化的制备和表征流程，以获得具有统计可重复性的试样。然后进行准静态加载-卸载实验以获得滞回响应。基于滞回响应，对所有关键参数的改进Iwan模型进行了标定。该模型
CRediT作者贡献声明
刘畅：论文撰写 – 审稿与编辑，论文撰写 – 初稿，可视化，验证，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理。潘金鑫：验证，软件，数据整理。杜艳红：形式化分析，数据整理。蒋宏正：调查研究，数据整理。彭青：方法论，调查研究，形式化分析。魏越光：论文撰写 – 审稿与编辑，指导，形式化分析。刘晓明：论文撰写 – 审稿与编辑，论文撰写 – 初稿，
利益冲突声明
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致谢
本研究受国家自然科学基金（编号12572117、12022210、12032001）和国家自然科学基金"非线性力学多尺度问题"基础科学中心项目（编号11988102）资助。
刘畅|潘金鑫|杜艳红|蒋宏正|彭青|魏越光|刘晓明
中国科学院力学研究所理论力学重点实验室，北京，100190，中国
