用于減振和能量吸收的多功能3D晶格超材料

供稿人：王蕾蕾 王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

復(fù)雜的工程應(yīng)用對具有多種良好特性的工程結(jié)構(gòu)或材料產(chǎn)生了日益增長的需求。通過結(jié)構(gòu)配置賦予多功能的超材料顯示出優(yōu)于傳統(tǒng)材料的獨(dú)特優(yōu)勢。超材料是一種人工材料，由精心設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)元件的特定排列組成，可以在電磁、光學(xué)、聲學(xué)、機(jī)械、熱等方面獲得獨(dú)特的性能，例如隱身、減振、吸聲、能量吸收等。減振和能量吸收是工程應(yīng)用中高度兼容的兩個(gè)重要特性，但是迄今為止，很少有研究集中于實(shí)現(xiàn)具有這兩個(gè)特性的多功能超材料。中國四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院江衛(wèi)鋒等研究者提出了一種具有減振和能量吸收能力的新型三維晶格結(jié)構(gòu)。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，證明所提出的元結(jié)構(gòu)能夠通過局部共振衰減低頻彈性波，并通過屈曲變形吸收沖擊能量，此外還提出了功能分級策略，以進(jìn)一步增強(qiáng)晶格超材料的減振和能量吸收性能。

首先研究者進(jìn)行了晶格的設(shè)計(jì)、制造并通過實(shí)驗(yàn)獲得基底材料的機(jī)械性能。首先選擇具有良好抗壓強(qiáng)度的面中心立方體（FCC）框架來取代均勻質(zhì)量，并與面中心的懸垂支柱一起形成共振器，以實(shí)現(xiàn)局部共振，如圖1(a)所示。其中主要參數(shù)包括邊緣支柱寬度d_1、連接支柱寬度d_2、對角支柱寬度d_3、連接支柱長度l和單位單元長度a，如圖1(b)所示；然后使用熱塑性聚氨酯（TPU） 粉末通過選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝（EOS P396，德國）對樣品進(jìn)行3D打��；最后根據(jù)ISO 527標(biāo)準(zhǔn)，使用電子通用試驗(yàn)機(jī)獲得材料的機(jī)械性能。

圖1 三維晶格超材料結(jié)構(gòu)

其次研究者進(jìn)行了色散關(guān)系的計(jì)算以及波傳輸?shù)臄?shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測試。首先使用有限元建模（FEM）軟件COMSOL Multiphysics 5.6計(jì)算色散關(guān)系和透射光譜，繪制了所提出結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系，如圖1(c)所示；然后通過電磁振動(dòng)器（WL010，北京一洋應(yīng)振測試技術(shù)有限公司）、動(dòng)態(tài)信號采集與分析系統(tǒng)（德國m+p國際公司）、功率放大器（WL010A，北京一洋應(yīng)振測試技術(shù)有限公司）和m+p Analyzer軟件（德國m+p國際公司）獲得傳輸率，其中實(shí)驗(yàn)所用試樣如圖2(a)所示，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2(b)所示；最后通過了解帶隙的形成機(jī)制和計(jì)算所提出晶格超材料的動(dòng)態(tài)有效質(zhì)量密度，得出所提出的晶格結(jié)構(gòu)通過局部諧振導(dǎo)致低頻帶隙的形成，從而實(shí)現(xiàn)減振性能的結(jié)論，同時(shí)研究者還指出可以通過選用適當(dāng)?shù)膸缀螀��?shù)來操縱局部共振頻率。

圖2 測試有限尺寸晶格結(jié)構(gòu)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)裝置示意圖

然年研究者進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。首先使用電子通用測試機(jī)（Instron 5967，美國）測試3D打印樣品的壓縮響應(yīng)，如圖3(a)所示；然后使用有限元軟件Abaqus/Explicit 2020模擬了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程，如圖3(b)所示；最后得到了模擬和實(shí)驗(yàn)壓縮力-位移曲線，如圖4所示，可知數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)所得的壓縮力-位移曲線顯示出良好的定量一致性，同時(shí)得到了不同應(yīng)變下的相應(yīng)變形模式，如圖5所示，可知變形主要分為4個(gè)階段： −16% ≤\varepsilon＜0彈性階段：由平行于x-y平面的對角支柱的彈性彎曲變形引起，此時(shí)邊緣支柱幾乎沒有變形，且應(yīng)力集中在對角支柱和懸垂支柱的連接節(jié)點(diǎn)處； −20% ≤\varepsilon< −16%彈性階段：當(dāng)壓縮位移超過連接支柱的長度時(shí)，F(xiàn)CC框架開始接觸，邊緣支柱承受軸向載荷，隨著進(jìn)一步壓縮，支柱彈性屈曲，反作用力達(dá)到初始峰值； −54% ≤\varepsilon< −20%高原階段：反作用力達(dá)到初始峰值后，由于應(yīng)變能的釋放而下降至平臺，此時(shí)支柱逐漸塌陷，大部分能量被吸收； \varepsilon<−54%致密化階段：隨著較大的壓縮位移，幾乎所有的支柱都會(huì)塌陷并相互接觸，然后力迅速增加，直到試樣完全壓實(shí)。

圖3 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

圖4 經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量和限元模擬所得的晶格結(jié)構(gòu)的壓縮力-位移曲線和能量吸收效率

圖5 實(shí)驗(yàn)和有限元模擬的晶格結(jié)構(gòu)變形行為

最后研究者提出功能分級設(shè)計(jì)在優(yōu)化減振和能量吸收的多功能性方面顯示出良好的潛力。例如，改變邊緣支柱和連接支柱的寬度會(huì)對帶隙的上邊緣和下邊緣的位置有顯著影響，隨著邊緣支柱的寬度增加，帶隙逐漸擴(kuò)大并移動(dòng)到更高的頻率范圍，而隨著連接支柱的尺寸增加，其會(huì)變窄；又如，分級晶格結(jié)構(gòu)允許改變剛度和質(zhì)量分布，以調(diào)整結(jié)構(gòu)的壓縮響應(yīng)，例如操縱初始變形的位置和變形的層順序，有助于有序的剛度設(shè)計(jì)和變形設(shè)計(jì)。由此可見，基于結(jié)構(gòu)的多功能性不受組成材料的限制，并且是高度可調(diào)的。通過合理考慮更多的幾何參數(shù)和更多樣的分級方法、分級結(jié)構(gòu)可以提供豐富的設(shè)計(jì)自由度，以滿足不同應(yīng)用場景中多功能性能的需求。

本研究提出的輕質(zhì)晶格超材料，既具有減振性能，又具有能量吸收性能，同時(shí)多功能性的實(shí)現(xiàn)源于微晶格的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此，可以通過設(shè)計(jì)幾何參數(shù)來調(diào)整晶格結(jié)構(gòu)的剛度和相對密度，以控制其工作頻率范圍和壓縮性能。該研究為開發(fā)用于特定工程應(yīng)用的多功能超材料提供了一條有前途的設(shè)計(jì)途徑。

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