用于减振和能量吸收的多功能3D晶格超材料

供稿人：王蕾蕾 王玲 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

复杂的工程应用对具有多种良好特性的工程结构或材料产生了日益增长的需求。通过结构配置赋予多功能的超材料显示出优于传统材料的独特优势。超材料是一种人工材料，由精心设计的结构元件的特定排列组成，可以在电磁、光学、声学、机械、热等方面获得独特的性能，例如隐身、减振、吸声、能量吸收等。减振和能量吸收是工程应用中高度兼容的两个重要特性，但是迄今为止，很少有研究集中于实现具有这两个特性的多功能超材料。中国四川大学机械工程学院江卫锋等研究者提出了一种具有减振和能量吸收能力的新型三维晶格结构。通过数值模拟和实验，证明所提出的元结构能够通过局部共振衰减低频弹性波，并通过屈曲变形吸收冲击能量，此外还提出了功能分级策略，以进一步增强晶格超材料的减振和能量吸收性能。

首先研究者进行了晶格的设计、制造并通过实验获得基底材料的机械性能。首先选择具有良好抗压强度的面中心立方体（FCC）框架来取代均匀质量，并与面中心的悬垂支柱一起形成共振器，以实现局部共振，如图1(a)所示。其中主要参数包括边缘支柱宽度d_1、连接支柱宽度d_2、对角支柱宽度d_3、连接支柱长度l和单位单元长度a，如图1(b)所示；然后使用热塑性聚氨酯（TPU） 粉末通过选择性激光烧结（SLS）工艺（EOS P396，德国）对样品进行3D打印；最后根据ISO 527标准，使用电子通用试验机获得材料的机械性能。

图1 三维晶格超材料结构

其次研究者进行了色散关系的计算以及波传输的数值模拟和实验测试。首先使用有限元建模（FEM）软件COMSOL Multiphysics 5.6计算色散关系和透射光谱，绘制了所提出结构的色散关系，如图1(c)所示；然后通过电磁振动器（WL010，北京一洋应振测试技术有限公司）、动态信号采集与分析系统（德国m+p国际公司）、功率放大器（WL010A，北京一洋应振测试技术有限公司）和m+p Analyzer软件（德国m+p国际公司）获得传输率，其中实验所用试样如图2(a)所示，试验系统如图2(b)所示；最后通过了解带隙的形成机制和计算所提出晶格超材料的动态有效质量密度，得出所提出的晶格结构通过局部谐振导致低频带隙的形成，从而实现减振性能的结论，同时研究者还指出可以通过选用适当的几何参数来操纵局部共振频率。

图2 测试有限尺寸晶格结构传输的实验装置示意图

然年研究者进行了准静态压缩实验和数值模拟。首先使用电子通用测试机（Instron 5967，美国）测试3D打印样品的压缩响应，如图3(a)所示；然后使用有限元软件Abaqus/Explicit 2020模拟了准静态压缩过程，如图3(b)所示；最后得到了模拟和实验压缩力-位移曲线，如图4所示，可知数值模拟和实验所得的压缩力-位移曲线显示出良好的定量一致性，同时得到了不同应变下的相应变形模式，如图5所示，可知变形主要分为4个阶段： −16% ≤\varepsilon＜0弹性阶段：由平行于x-y平面的对角支柱的弹性弯曲变形引起，此时边缘支柱几乎没有变形，且应力集中在对角支柱和悬垂支柱的连接节点处； −20% ≤\varepsilon< −16%弹性阶段：当压缩位移超过连接支柱的长度时，FCC框架开始接触，边缘支柱承受轴向载荷，随着进一步压缩，支柱弹性屈曲，反作用力达到初始峰值； −54% ≤\varepsilon< −20%高原阶段：反作用力达到初始峰值后，由于应变能的释放而下降至平台，此时支柱逐渐塌陷，大部分能量被吸收； \varepsilon<−54%致密化阶段：随着较大的压缩位移，几乎所有的支柱都会塌陷并相互接触，然后力迅速增加，直到试样完全压实。

图3 准静态压缩试验

图4 经实验测量和限元模拟所得的晶格结构的压缩力-位移曲线和能量吸收效率

图5 实验和有限元模拟的晶格结构变形行为

最后研究者提出功能分级设计在优化减振和能量吸收的多功能性方面显示出良好的潜力。例如，改变边缘支柱和连接支柱的宽度会对带隙的上边缘和下边缘的位置有显著影响，随着边缘支柱的宽度增加，带隙逐渐扩大并移动到更高的频率范围，而随着连接支柱的尺寸增加，其会变窄；又如，分级晶格结构允许改变刚度和质量分布，以调整结构的压缩响应，例如操纵初始变形的位置和变形的层顺序，有助于有序的刚度设计和变形设计。由此可见，基于结构的多功能性不受组成材料的限制，并且是高度可调的。通过合理考虑更多的几何参数和更多样的分级方法、分级结构可以提供丰富的设计自由度，以满足不同应用场景中多功能性能的需求。

本研究提出的轻质晶格超材料，既具有减振性能，又具有能量吸收性能，同时多功能性的实现源于微晶格的结构设计，因此，可以通过设计几何参数来调整晶格结构的刚度和相对密度，以控制其工作频率范围和压缩性能。该研究为开发用于特定工程应用的多功能超材料提供了一条有前途的设计途径。

参考文献：
Jiang W, Yin G, Xie L, et al. "Multifunctional 3D lattice metamaterials for vibration mitigation and energy absorption. " International Journal of Mechanical Sciences (2022).