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最新论文——剪纸启发的金字塔折叠芯三明治结构在低速冲击下的能量吸收
From: Date: 2024-10-23 导读 近年来，受折纸和剪纸启发的折叠芯三明治结构展现出作为高效能量吸收装置的巨大潜力，逐渐成为传统蜂窝结构的有效替代方案。在航空航天、城市交通和土木工程等领域，航天器着陆、车辆碰撞防护以及桥梁防撞等应用场景广泛涉及在低速冲击下的能量吸收，因此，研究三明治结构的动态响应显得尤为重要。特别是在动态载荷下，结构本身的惯性效应会导致初始峰值应力的增加并带来更高的能量吸收。然而，理想的能量吸收装置需要具备较低的峰值应力和较高的能量吸收能力，而现有研究往往难以在低速冲击下同时满足这两个指标。 图1 金字塔折叠芯的几何设计 通过有限元仿真与实验验证相结合的方法，系统研究了双层均匀金字塔折叠芯在不同恒速冲击下的变形机制与能量吸收特性（图2）。研究发现，随着冲击速度的增加，双层金字塔折叠芯的初始峰值应力显著升高，能量吸收也有一定程度的增强。在屈曲阶段，折叠芯的惯性阻力延缓了屈曲变形，eggbox角落处出现固定塑性铰链，同时冲击头附近的三角形面板也向内弯曲，形成初始局部变形。数值模拟显示了金字塔折叠芯的低阶与高阶屈曲模式，冲击下初始屈曲峰值应力的增加触发了高阶屈曲模式，并在后屈曲阶段形成更多固定塑性铰链，从而导致了更高的压缩应力（图3）。此外，探究了几何参数对折叠芯能量吸收性能的影响，结果表明，在不同冲击载荷下，更高和更厚的金字塔折叠芯表现出更高的初始峰值应力和能量吸收能力。 图2 金字塔折叠芯在低速冲击下的能量吸收与变形模式 图3 金字塔折叠芯的屈曲与后屈曲变形机制 为了在确保高效能量吸收的同时降低冲击下的初始峰值应力，研究团队设计了具有不同层间角度与厚度参数的多层渐变金字塔折叠芯。数值仿真结果表明，角度参数所引起的高度渐变不仅带来了可控的变形与梯度反力，还能调控每层的有效压缩冲程（图4）。而厚度渐变则表现出更为独立的逐层顺序变形和更加显著的梯度行为（图5）。无论是高度渐变还是厚度渐变，折叠芯的初始变形主要发生在与冲击头接触的顶层，因此具有较大正向梯度（从最上层到最下层结构刚度逐渐增大）的高度与厚度渐变的金字塔折叠芯展现出更低的初始峰值应力，同时保持了整体结构的能量吸收效率。 图4 高度渐变的金字塔折叠芯在低速冲击下的变形模式与能量吸收 图5 厚度渐变的金字塔折叠芯在低速冲击下的变形模式与能量吸收 此外，研究团队对高度和厚度同时渐变的折叠芯进行不同梯度间隔的参数化分析，发现具有最大正向高度和厚度耦合渐变的金字塔折叠芯能够实现最低的初始峰值应力和最高的能量吸收（图6）。由于最上层的高度和壁厚最小，该层在冲击下的初始峰值应力相比单一参数渐变的结构进一步降低。同时，各层的有效冲程从较薄的上层向较厚的下层逐渐增大，导致结构刚度较大的层在能量吸收中具有更大的比重（图7）。结果显示，与均匀模型相比，具有最优参数的渐变金字塔折叠芯在冲击载荷下的初始峰值应力降低了50%以上，而能量吸收效率则增加了约5%。 图6 金字塔折叠芯在高度与厚度同时渐变下的参数化分析 图7 具有最大正向梯度高度与厚度同时渐变的金字塔折叠芯在低速冲击下的变形模式与能量吸收 在此基础上，研究团队将具有最优性能参数的多层渐变金字塔折叠芯与典型的四边形蜂窝、Miura-ori折叠芯、渐变Miura-ori折叠芯和折纸蜂窝在低速冲击下的能量吸收指标进行了对比（图8）。结果显示，渐变金字塔折叠芯的负载均匀性比四边形蜂窝、折纸蜂窝、Miura-ori折叠芯和渐变Miura-ori折叠芯的负载均匀度分别降低了70.9%、75.4%、80.5%和78.6%。其能量吸收能力与四边形蜂窝相当，同时，比折纸蜂窝、Miura-ori折叠芯和渐变Miura-ori折叠芯分别提高了91.98%、138.37%和152.60%。 图8 渐变金字塔折叠芯与其他典型芯材能量吸收的对比 上述研究论文近期发表于International Journal of Mechanical Sciences期刊。论文的通讯作者为天津大学马家耀教授，共同第一作者为天津大学硕士生陈厚华和博士生柴思博。该研究系统分析了金字塔折叠芯在低速冲击下的变形机制，并进一步设计了具有渐变几何的金字塔折叠芯，证明了其在冲击载荷下出色的能量吸收效率，展示了其在冲击工程中作为高性能三明治结构的缓冲吸能潜力。
Chen H#, Chai S#, Ma J*. Energy absorption of the kirigami-inspired pyramid foldcore sandwich structures under low-velocity impact. International Journal of Mechanical Sciences, 2024. 284: 109774. |
