薄壁结构作为一种常见的工程结构，在航空航天、能源石化、海洋工程、汽车等领域具有广泛的应用背景。实验室针对薄壁吸能结构、后屈曲薄壁结构以及复合薄壁结构的设计方法及其机械性能开展了系统研究，并在相关工程应用技术方面取得了一定成果。

1 薄壁吸能结构

       缓冲吸能结构的作用是把冲击过程中的动能不可逆地转化成装置变形的能量，从而达到保护运载器以及人员的目的。实验室利用折纸设计方法探究构造复杂的三维结构，有效提高了结构的机械性能。

       对一个kite型刚性折纸图案进行预折叠设计了一个可以作为能量吸收装置的新型薄壁结构。通过对这个结构进行准静态轴向载荷下的数值模拟和理论分析，发现这个结构的力曲线可以在保证较高数值的同时变得更加平滑。与传统的方形管相比，kite型薄壁管的这种力响应曲线使其在保证能量吸收效率有效增长的同时能有较低的初始峰值力。根据优化结果，这个新型薄壁结构最多可提高29.2%的能量吸收率并降低56.5%的初始峰值力。

kite型刚性折纸图案的薄壁结构

       实验室设计了按照菱形折纹预折的管状薄壁吸能结构，即折纸吸能盒（origami crash box）。数值模拟和实验研究表明，在准静态和低速冲击荷载作用下，折纸吸能盒的预折折纹均可以引导出一种吸能效率高的钻石型变形模态，使得其初始峰值力比同质量的普通方管降低20%以上，比吸能提高50%以上，且能在不同截面形状与几何参数下保持压溃形式稳定。此外，还建立了简化的基本折叠单元理论模型，揭示了钻石型模态导致的双倍移行塑性铰是高比吸能的主要原因，并推导出了平均压缩力的理论公式。

不同形状的折纸吸能盒

2. 后屈曲薄壁结构

       在薄壁结构表面引入一系列预压制的折痕图案，以引导其弹性屈曲过程，从而获得精确符合预先设计的后屈曲构型。这种预制折纹方法的精确性已经得到充分的实验验证。此外，用能量分析方法可以说明这一类薄壁结构的双稳态特性及屈曲变形机理。针对不同边界条件或具有不同刚度的机械结构，用这种预制折纹的方法均可获得相应薄壁结构的可预测的屈曲模态。

可预测屈曲模态的薄壁结构