用于減振和能量吸收的多功能3D晶格超材料
魔猴君 行業(yè)資訊 793天前
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打印；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；然后通過電磁振動器（WL010，北京一洋應(yīng)振測試技術(shù)有限公司）、動態(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(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，FCC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(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(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).
