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最新论文——折叠薄壁结构与超材料的几何设计、变形模式与能量吸收
From: Date: 2022-03-29 薄壁吸能结构由于具有质量轻、吸能效率高、成本低等优点，已广泛应用于从航空航天到土木、汽车等众多工程领域（图1）。理想的吸能结构需要具备较低的初始峰值力、单位质量下较高的能量吸收（比吸能）以及稳定可控的变形模式。近年来，研究人员基于折纸或剪纸的方式对传统吸能结构进行预折叠（表1），通过控制压溃变形模式改善其吸能特性，形成折叠吸能结构的研究热点。 近日，应《Mechanics of Materials》期刊邀请，天津大学机械工程学院的马家耀副教授、柴思博博士和陈焱教授以Geometric design, deformation mode, and energy absorption of patterned thin-walled structures为题共同撰写了折叠薄壁吸能结构与超材料的综述文章，详细讨论了折叠管、三明治芯层以及超材料的几何设计、变形模式和能量吸收特性，总结了现有研究的主要成果和局限性，并指出了未来发展方向。 图1 吸能结构的应用 表1 吸能结构中常见的折纸图案 一维折叠管 针对传统吸能管初始峰值较高、吸能曲线震荡幅度较大等问题，研究人员设计出了很多具有折纸图案的折叠吸能管。作者按照折纸吸能管的变形模式将其分为刚性折叠管与非刚性折叠管两类。 刚性折叠管是指吸能管在折叠过程中面板围绕折痕旋转而几乎不发生弯曲变形，折痕形成固定塑性铰进行吸能。因此刚性折叠管大幅度降低了初始峰值力，同时其变形模式可稳定控制，且能够通过机构运动学和塑性力学理论进行有效建模。但同时刚性折叠管由于变形主要集中于折痕而吸能效率较低（例如TMP折纸管）。 非刚性折叠管在折叠中会同时发生绕折痕的转动与面板变形，从而不再满足机构运动学理论。其吸能机理除了折痕形成的固定塑性铰变形外，还存在移动塑性铰和面内变形。因此非刚性折叠管不仅具有刚性折叠管的变形模式可控、初始峰值力低的优势，还大幅度提高了吸能水平（例如crash box吸能盒）。 此外，作者总结了折叠吸能管的不同几何设计、典型加载曲线与吸能特性的关系（表2），并比较了不同折叠管对应于传统方管或圆管结构的比吸能提升效果（图2）。 表2 折纸管总结 图2 非刚性折叠管较传统吸能管的比吸能提升 二维折叠芯与三明治结构 与折纸管不同的是，三明治折叠芯由于上下压板限制了芯材边界的运动，其变形均为非刚性折叠模式。作者根据设计与制作方式将折叠芯分为了折纸折叠芯与剪纸折叠芯两种类型。 基于折纸的折叠芯以Miura-ori折叠芯为典型代表，由于具有开放的通风通道，相较于传统蜂窝结构，解决了冷凝水堆积的问题，同时有效降低了初始峰值力。但由于Miura-ori的变形主要体现在局部固定塑性铰的折叠上，吸能效率非常有限。研究人员通过改进其结构形式（例如曲纹Miura-ori折叠芯）以及寻找新型折纸图案（例如Resch折叠芯），在一定程度上提高了吸能水平。 基于剪纸的折叠芯在折纸折叠芯的基础上，由于允许进行材料的裁剪与粘接，具有更加广泛的设计空间。剪纸折叠芯在变形中形成了更多的塑性铰和更复杂的面内变形，从而实现更高效的吸能。其中一些结构可以达到与蜂窝相近甚至更高的吸能水平（例如金字塔折叠芯）。 作者总结了折纸与剪纸折叠芯的结构设计与吸能特性的关系（表3），并比较了不同折纸与剪纸折叠芯相较普通Miura-ori芯材的比吸能提升效果（图3）。 表3 折纸与剪纸折叠芯/三明治结构总结 图3 折纸与剪纸折叠芯/三明治较普通Miura-ori芯材的比吸能提升效果 三维折叠超材料 虽然许多三维折叠超材料的研究重点不是能量吸收，但其中一些仍体现出有价值的吸能特性。作者从以下几个方面详细阐述了超材料在吸能方面的潜力。 刚性折叠超材料具有较低的初始峰值力和平滑的吸能曲线，且可通过塑性铰理论进行有效的理论建模（例如Miura-ori超材料）。一些研究通过渐变几何参数的层间设计或不同结构的组合，实现了刚性折叠到非刚性折叠的转化，在较大程度提高吸能效果的同时还获得了吸能曲线的梯度特性（例如渐变Miura-ori超材料）。作者指出，刚性折叠模式和非刚性折叠模式各具优势，若将两种模式进行结合，可以实现相对均衡甚至更优越的性能。 稳态特性同样是超材料的一个重要研究内容。稳态的转换会耗散和存储大量能量，其变形过程更多表现为可恢复的弹性变形。因此双稳态或多稳态折叠超材料可实现吸能装置的重复利用（例如Stacked Miura-ori超材料）。 可重构超材料可通过构型转换来适应不同的环境以及完成不同的任务。同一结构的不同构型在变形模式和吸能曲线上具有显著的差异，因此可重构超材料可实现吸能特性的转化与调控，具有广泛的应用前景。 作者同样对折叠超材料进行了总结（表4），并指出兼顾吸能的新型多功能超材料具有较大的研究潜力。 表4 折叠超材料总结 挑战与展望 最后，作者从三个方面给出了折叠薄壁吸能结构的研究现状、挑战与可能的解决方案（图4）。 设计方法方面，目前尚缺少折叠吸能结构的系统设计方法。一方面需要通过研究传统的吸能机理或机械性能优异的仿生结构来获得新变形模式的启发，另一方面需要依靠刚性折纸理论指导折叠图案的设计。此外在设计方法的基础上，还可利用人工智能实现模式与结构的自主反向设计。 理论建模方面，不仅要挖掘潜在的吸能机理，还要建立设计参数和机械性能之间的关系，其核心是找到用来表征结构主要变形模式的基本折叠单元。图形三角化和引入虚拟折痕可实现非刚性折叠结构到等效刚性折叠结构的转化，更易于理论建模。而对于更复杂的折叠模式则需要实验与数值方法相结合，依靠数据分析与数据挖掘算法来得到理论模型。 先进材料应用方面，以碳纤维增强复合材料为代表的先进复合材料虽具有高比刚度与高比强度特性，但其脆性属性导致折叠结构会发生断裂破碎，而无法体现其在塑性变形模式下的性能优势。因此还需要进一步研究复合材料特定的变形模式与吸能机理。同时作者指出，在一个折叠结构中使用多种材料可能会提高其结构性能。 此外，还需要开发低成本且可大规模生产的薄壁折叠结构的先进制造技术，从而更好地将相关研究成果转化至实际工程应用。 图4 折叠吸能结构的研究现状、挑战与可能的解决方案
Ma J, Chai S, Chen Y. Geometric design, deformation mode, and energy absorption of patterned thin-walled structures. Mechanics of Materials, 2022, 168: 104269. |
