以下文章來源於複合材料力學
在輕量化設計的基礎上實現高效的吸能，一直是先進工程和應用科學研究的熱點。夾層結構作為薄壁結構的一種典型類型，由於其優異的力學性能、比吸能性能和多功能等特點，受到越來越多的關注，並被廣泛應用於眾多工程領域。近十年來，對傳統蜂窩、泡沫、波紋和格子芯的夾層結構在低速高應變率彈道衝擊、空氣衝擊、水下爆炸等條件下的抗衝擊和動力破壞進行了大量研究。實驗研究表明，傳統夾層結構的吸能機制主要依靠大塑性變形來實現高動能耗散。這種原理通常會在初始衝擊後導致巨大的材料損壞或整體結構破壞，這不可避免地破壞了承載能力，幾乎不能用於承受多次或重複的衝擊載荷。然而，作為一種典型且頻繁發生的衝擊案例，反覆動載荷作用下的問題對於永久變形和剩餘力學性能具有重要的現實意義。如何設計新型的能量吸收結構，以有效地減輕重複衝擊載荷下的動能仍然是一個挑戰，一直備受關注。然而，到目前為止，對負剛度結構在重複衝擊載荷下的動態響應的研究還很少。這種新型人工結構在高應變率影響下的動態失效機制和速率依賴性仍有待探索。實現可重複使用的能量吸收和減輕重複的衝擊負荷仍然是一個挑戰。
2023年，《Composites Science and Technology》期刊發表了西北工業大學在3D列印負剛度超夾層結構在重複衝擊載荷下的動態失效方面的研究工作，論文標題為「Dynamic failure of 3D printed negative-stiffness meta-sandwich structures under repeated impact loadings」。
在該研究中，作者通過引入雙彎梁向輕型夾層板穩態轉換的設計理念，設計和製造了幾種負剛度超夾層結構（NSMSs）。實驗呈現了在准靜態壓縮和重複高應變率衝擊下可重複使用的能量吸收特性。應用選擇性雷射燒結（SLS）3D列印技術製備了玻璃纖維增強（GFR）尼龍NSMSs複合材料。通過理論分析、數值模擬和實驗驗證，系統地研究了新型複合材料結構在重複衝擊載荷作用下的速率依賴性動態緩解和失效機理。
內容簡介
圖1通過SLS 3D列印製備的NSMS的示意圖
圖2(a)准靜態壓縮試驗和有限元模型；(b)SHPB實驗設置的原理圖；(c)SHPB中的應力波分析；(d)蜂窩結構HB-1；(e)SHPB與NSMS的FEA模型
圖3(a)NSMSs中雙彎曲梁的變形模型和(b)力-位移分布分析；(c)吸收能量的理論曲面圖和(d)不同h的釋放能量
圖4(a)實驗測量和數值模擬了不同NSMS樣品在准靜態壓縮下的力-位移分布；(b)實驗測量的和(c)數值模擬的樣品II的變形模式
在SHPB試驗下，應變計A和應變計B捕獲的典型信號如圖5(a)。結果表明，整個衝擊響應可分為兩個階段。第一階段：初始入射波I下的動態壓縮，其中入射波I和反射波I均由一對應變計（綠色陰影）測量；第二階段：反射入射波（入射波II，藍色陰影）下的第二輪動態壓縮。初始狀態（S0）、階段I（S1）和階段II（S2）之後的結構變形由高速攝像機捕獲，並顯示在圖5(a)中。NSMS樣品從S0變形為S2，其內部的雙彎曲梁具有穩態變換。為了找到臨界衝擊速度，逐步增加一系列衝擊能量，進行重複衝擊試驗。幾個具有代表性的隨衝擊速度遞增的入射信號如圖5(b)所示。NS-1相應的應力-應變分布由式(1)得到，如圖5(c)所示。不同衝擊速度下的變形和破壞模式的高速快照如圖5(c)所示。從變形模式可以看出，對於NS-1，衝擊4(衝擊速度5 m/s)可視為一次臨界衝擊，在此衝擊下，結構的一層發生臨界破壞。同樣，對NS-2和NS-3試樣分別選取6.2 m/s和6.8 m/s的臨界衝擊速度。圖5(d)比較了不同衝擊速度下的初始峰值應力σcr和對應的應變εcr(見圖5(c))，反映了應變速率對動態響應的影響。隨著應變率的增加，初始峰值應力σcr和相應的應變εcr均呈增加趨勢。
圖5(a)SHPB試驗獲得的電壓信號；(b)應變計A捕獲的入射波信號；(c)不同衝擊速度下不同衝擊載荷下NS-1結構下的應力-應變分布；(d)應變率對初始峰值應力σcr及相應應變εcr的影響
總體而言，高應變速率下NSMSs的應力-應變分布大致可分為彈性階段、平台階段和緻密階段，如圖6(a)所示，與泡沫多孔結構相似。NS-1結構四次衝擊實驗得到的應力-應變曲線與公式(15)預測的應力-應變曲線對比如圖6(c)所示。結果表明，彈性階段和緻密階段的理論曲線與實驗結果吻合較好。在平台階段，理論曲線的總體趨勢與實驗曲線相對匹配，儘管穩態模態轉換引起了波動。但式(15)的預測公式能夠更好地降低NSMS的壓縮力學行為。
圖6(a)NSMS樣品的典型應力-應變分布；(b)由n層雙彎曲梁組成的NSMS的示意圖；(c)理論預測和實驗測量的NS-1結構在四次衝擊下的應力-應變分布
圖7為NS-1和蜂窩結構在SHPB衝擊下的數值模擬變形過程。從仿真結果中得出了與實驗測量結果相同的結論。對於NSMS的NS-1試件，最大變形階段的最大應力局限在下部雙曲梁(圖7(a))，而上部雙曲梁的應力則小得多，這與實驗結果吻合較好。而蜂窩結構在最大變形階段各層應力均最大，導致結構整體破壞(如圖7(b)所示)。有限元分析進一步驗證了NSMSs在抗重複衝擊載荷方面表現出的更優異的潛力。
圖7(a) NSMS和(b)蜂窩結構的變形模式和失效過程的數值模擬快照
小結
（1）通過理論分析、實驗驗證和數值模擬，給出了NSMSs複合材料在重複衝擊載荷下的動態響應。提出了一系列的評價指標來定量地描述其能量吸收性能。在不同的衝擊應變率下，驗證了NSMSs複合材料可重複使用能量吸收的優越能力。
（2）建立了一個雙穩態解析模型來描述單軸壓縮條件下雙彎曲梁的力位移關係，並推導了基於Gibson-Ashby模型的理論公式來解析預測NSMS的能量吸收性能。數值或實驗結果與來自各種結構參數的理論分布吻合較好。
（3）實驗可視化了NSMSs複合材料在重複衝擊下的失效機理，並與傳統的蜂窩結構進行了比較。與蜂窩設計的整體剪切失效不同，NSMSs表現出獨特的逐層失效模式，以產生損傷隔離效應，從而具有優異的抵抗重複衝擊載荷的性能。
原始文獻
Jiakang Gan, Fenglei Li, Keqiang Li, Eric Li, Bing Li. Dynamic failure of 3D printed negative-stiffness meta-sandwich structures under repeated impact loadings, Composites Science and Technology 234 (2023) 109928, https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.109928.
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