利用连续超材料的可塑性实现最佳减震效果

来自 实验室仪器网

《自然》杂志最近发表的一篇文章对塑性进行了研究，以确定塑性与屈曲不稳定性之间的平衡，即“屈服屈曲”。

该方法用于设计能够分多个步骤连续屈曲同时保持其承载能力的超材料。连续屈服屈曲的概念促进了将刚度和能量耗散相结合的超材料的创建，这两个特性通常被认为是不相容的。

机械超材料具有独特的特性，例如高低密度刚度、增强的能量吸收、形状变化、连续变形、膨胀性和强大的波导性。当前的设计主要依赖于几何形状，利用称为屈曲的机械不稳定性。

细长元素的纵横比和由于内部旋转引起的几何非线性主要定义这些超材料，而超弹性、粘弹性、断裂和塑性等材料非线性通常被忽略。

塑性是大多数固体中都存在的一种非线性特性，但在基于屈曲的超材料中，塑性在很大程度上尚未得到探索。塑性变形传统上被视为一种失效模式，它会导致大量能量耗散或永久形状变化。

与塑性不利于超材料功能的普遍看法相反，本研究利用了超材料设计中屈曲和塑性之间的相互作用。

首先，研究了由弹塑性韧带（厚度t、杨氏模量E、切线模量Et和屈服应力σy）连接的一对正方形（尺寸ℓ）的屈曲行为。在弹性、塑性和屈服屈曲模式中，选择屈服屈曲来实现顺序屈曲。然后将弹性和塑性屈曲理论应用于设计的单元。

通过改变参数Et/E和t/ℓ，通过数值模拟验证了由此产生的屈服屈曲条件。该概念与结构稳定的超材料架构相结合，可实现连续屈曲，从而实现较大的力平台和能量耗散。引入了一种超材料几何结构，可防止整体剪切屈曲，同时以最小的力下降连续表现出多种局部屈曲模式。

为了将屈服屈曲和自接触整合到超材料设计中，我们打印了一个具有六种线模式的二维(2D)圆柱形图案。该超圆柱体也采用钢制成三维结构，以在单轴压缩下触发层模式的屈服屈曲。

通过六次循环压缩（每次压缩时位移增加，且每循环压缩一次，另一层会弯曲），证明了设计的超圆柱体在保持其初始机械性能的同时具有可重复使用性。通过质量跌落试验（5.5公斤）检查了其减震机制。将超圆柱体的性能与标准减震器碰撞罐的性能进行了比较。

结果与讨论

晶胞分析表明，屈服屈曲促进了任意步骤数的连续屈曲。与此晶胞类似，观察到三种屈曲状态取决于所考虑的超材料几何中的纵横比t/ℓ和模量比Et/E。然而，与晶胞相反，稳定的水平韧带延迟了设计的超材料中屈曲的开始。

仅当两个单元格串联连接时，在屈服屈曲范围内才能观察到清晰的屈曲序列和接触诱导硬化。

屈服屈曲还可有效防止较大超材料中出现不必要的整体屈曲模式，从而导致步骤之间的负载适度下降，而不会对压缩行程产生不利影响。因此，将屈服屈曲和自接触结合起来有望创造出具有高刚度、强度和稳定能量耗散的超材料。

在对圆柱体进行循环压缩时，所有层最初在垂直韧带处都会发生局部变形，从而导致刚性较高。随着连续的压缩冲程，圆柱体变硬，导致其他层弯曲，直到所有六层都完全坍塌。

进一步压缩导致整体屈曲模式。这种多步连续屈服屈曲在各种韧带厚度、加载速度和离轴压缩下都很稳定。

在六次循环压缩过程中，位移不断增加，圆柱体表现出一致的强度和刚度。此外，在质量下降过程中也观察到了类似的减速。

相比之下，碰撞罐在第一次跌落后就失去了其初始特性，在后续跌落中表现出明显较低的减速度和较大的冲程。因此，屈服屈曲以可调、坚固和高效的方式提供了理想的减震效果，可用于多种用途。

研究人员成功证明，屈服屈曲与适当的超材料结构相结合，是实现顺序屈曲和制造有效减震器的宝贵工具。

值得注意的是，此类超材料能够以更小的体积吸收更多的冲击能量，可多次重复使用，可由任何弹塑性材料制成，并可拓展为各种结构以适应各种冲击行程。此外，它们可以推广用于多方向的冲击，适合大规模生产。

因此，这些减震器可应用于各个领域，包括米级的汽车和航空航天，以及微米级的显微镜和纳米光刻。

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