用于減振和能量吸收的多功能3D晶格超材料

魔猴君  行業資訊   536天前

復雜的工程應用對具有多種良好特性的工程結構或材料產生了日益增長的需求。通過結構配置賦予多功能的超材料顯示出優于傳統材料的獨特優勢。超材料是一種人工材料，由精心設計的結構元件的特定排列組成，可以在電磁、光學、聲學、機械、熱等方面獲得獨特的性能，例如隱身、減振、吸聲、能量吸收等。減振和能量吸收是工程應用中高度兼容的兩個重要特性，但是迄今為止，很少有研究集中于實現具有這兩個特性的多功能超材料。中國四川大學機械工程學院江衛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構。通過數值模擬和實驗，證明所提出的元結構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，以進一步增強晶格超材料的減振和能量吸收性能。

首先研究者進行了晶格的設計、制造并通過實驗獲得基底材料的機械性能。首先選擇具有良好抗壓強度的面中心立方體（FCC）框架來取代均勻質量，并與面中心的懸垂支柱一起形成共振器，以實現局部共振，如圖1(a)所示。其中主要參數包括邊緣支柱寬度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（SLS）工藝（EOS P396，德國）對樣品進行3D打印；最后根據ISO 527標準，使用電子通用試驗機獲得材料的機械性能。

圖1 三維晶格超材料結構

其次研究者進行了色散關系的計算以及波傳輸的數值模擬和實驗測試。首先使用有限元建模（FEM）軟件COMSOL Multiphysics 5.6計算色散關系和透射光譜，繪制了所提出結構的色散關系，如圖1(c)所示；然后通過電磁振動器（WL010，北京一洋應振測試技術有限公司）、動態信號采集與分析系統（德國m+p國際公司）、功率放大器（WL010A，北京一洋應振測試技術有限公司）和m+p Analyzer軟件（德國m+p國際公司）獲得傳輸率，其中實驗所用試樣如圖2(a)所示，試驗系統如圖2(b)所示；最后通過了解帶隙的形成機制和計算所提出晶格超材料的動態有效質量密度，得出所提出的晶格結構通過局部諧振導致低頻帶隙的形成，從而實現減振性能的結論，同時研究者還指出可以通過選用適當的幾何參數來操縱局部共振頻率。

圖2 測試有限尺寸晶格結構傳輸的實驗裝置示意圖

然年研究者進行了準靜態壓縮實驗和數值模擬。首先使用電子通用測試機（Instron 5967，美國）測試3D打印樣品的壓縮響應，如圖3(a)所示；然后使用有限元軟件Abaqus/Explicit 2020模擬了準靜態壓縮過程，如圖3(b)所示；最后得到了模擬和實驗壓縮力-位移曲線，如圖4所示，可知數值模擬和實驗所得的壓縮力-位移曲線顯示出良好的定量一致性，同時得到了不同應變下的相應變形模式，如圖5所示，可知變形主要分為4個階段： ?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，此時邊緣支柱幾乎沒有變形，且應力集中在對角支柱和懸垂支柱的連接節點處； ?20% ≤\varepsilon< ?16%彈性階段：當壓縮位移超過連接支柱的長度時，FCC框架開始接觸，邊緣支柱承受軸向載荷，隨著進一步壓縮，支柱彈性屈曲，反作用力達到初始峰值； ?54% ≤\varepsilon< ?20%高原階段：反作用力達到初始峰值后，由于應變能的釋放而下降至平臺，此時支柱逐漸塌陷，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塌陷并相互接觸，然后力迅速增加，直到試樣完全壓實。

圖3 準靜態壓縮試驗

圖4 經實驗測量和限元模擬所得的晶格結構的壓縮力-位移曲線和能量吸收效率

圖5 實驗和有限元模擬的晶格結構變形行為 

最后研究者提出功能分級設計在優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，帶隙逐漸擴大并移動到更高的頻率范圍，而隨著連接支柱的尺寸增加，其會變窄；又如，分級晶格結構允許改變剛度和質量分布，以調整結構的壓縮響應，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計和變形設計。由此可見，基于結構的多功能性不受組成材料的限制，并且是高度可調的。通過合理考慮更多的幾何參數和更多樣的分級方法、分級結構可以提供豐富的設計自由度，以滿足不同應用場景中多功能性能的需求。

本研究提出的輕質晶格超材料，既具有減振性能，又具有能量吸收性能，同時多功能性的實現源于微晶格的結構設計，因此，可以通過設計幾何參數來調整晶格結構的剛度和相對密度，以控制其工作頻率范圍和壓縮性能。該研究為開發用于特定工程應用的多功能超材料提供了一條有前途的設計途徑。

參考文獻：

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

來源：中國3D打印網