课题组近期工作汇总之一

多样化结构实验室（Versatile Structures Lab）以未来工程结构“降碳增韧”总目标，致力于建立新材料结构设计理论和数字建造方法，使之在特定场景和尺度下具备性能可定制和功能可调节等特征。课题组三个主要研究方向包括：（1）超构复合材料结构设计理论与受力机理；（2）异形复杂曲面结构的数字化设计与建造方法；（3）多尺度与多学科背景下的结构功能一体化设计。

方向一中的超构材料（Architected Material）亦或称为建构化材料，是一类由于几何设计而获得特殊性能的人工材料。课题组致力于将这类人工材料(Engineered Materials)变为面向建筑和基础设施领域的工程材料(Engineering Materials)。本期推文为大家介绍过去一年多时间内课题组针对超构材料结构在强韧协同机理，建造性能优化，和应用场景探索三个方面的一些成果，敬请批评指正。

鉴于力学超材料丰富的几何设计形式，独特的力学属性，以及增材制造等先进制造方式的发展，课题组将各类超材料与其他常见工程材料相结合，以得到更优性能的复合材料，过去一年陆续在Cement and Concrete Composite、Composite Structures、Composite Communications等期刊上发表四篇论文。

第一篇论文对不同3D打印参数对晶格力学性能的影响进行了初步测试，为复合材料的建造提供指引；探索不同材料组合的晶格增强水泥基复合材料的材料空间分布及连接方式设计，得到可调控的晶格增强水泥基复合材料设计方案；测试由单元尺度晶格增强复合材料扩大至柱子尺度的复合材料力学性能，得到柱子尺度下晶格增强水泥基复合材料的不同力学表现成果发表于Cement and Concrete Composite，

详见：https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2023.105266

第二篇论文主要开展了多样化晶格几何与单元布置增强的水泥基复合材料抗弯力学性能研究。建立了建构化晶格增强水泥基复合材料的概念(Lattice-Reinforced Cementitious Composite, 以下简称LRCC），评估了其在三点弯曲荷载下的力学性能，表征了晶格体积率和晶格布置分别对LRCC梁抗弯曲性能的影响，如图2所示。通过对LRCC梁在三点弯曲荷载下裂纹发展和分布的观察，证实了晶格结构物与水泥基体材料之间的相互作用会导致不同的破坏模式，成果发表于Composite Structure，

详见：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.116850

图2-以晶格材料为增强相的建构化晶格增强水泥基复合材料

抗弯力学性能

第三篇论文提出了在复杂受力状态下具有力学性能增强的拉胀复合材料异构几何设计。如图3所示，以3D打印的晶格材料作为增强相，以硅胶作为基质，形成建构化复合材料，研究了不同几何的复合材料在压缩与压剪结合状态下的力学性能，在获得不同复合材料变形行为和受力特征的基础上，提出了异构几何设计方法，探索新型复合材料的刚度与吸能效果，最后研究复合材料在重复压缩和循环压缩状态下的力学性能。通过几何结构设计，使多样化的建构化复合材料能够适应不同的受力场景，其中内凹复合材料在受压状态和循环压缩状态下具有较大的刚度和能量吸收，而蜂窝复合材料在压剪结合状态下具有较大的抗剪刚度和能量耗散性能。同时提出异构几何设计方法，通过添加桁架方式提升原有结构的刚度与能量吸收，该论文由发表于Composites Communications上，

详见：https://doi.org/10.1016/j.coco.2023.101499

图3-具有力学性能增强的拉胀复合材料

第四篇论文提出了一种多稳态超构复合材料的设计方法，将具有应变速率敏感特性的吸能泡沫与多稳态超构材料相结合，以提升多稳态超构材料在宽应变率范围内能量吸收的可调节性，在不影响多稳态超构材料自身力学特性的基础上，提升复合材料的强度、吸能能力和冲击防护性能，如图4所示。结果表明，所提出的建构化复合材料具有优越的冲击防护能力，其吸能能力具有可适应性，可随着冲击应变率的提升而加强。此外，与传统的泡沫和多孔材料相比，得益于曲梁多稳态建构化材料的跳跃屈曲属性，该复合材料具有良好的可恢复性，从而能够重复使用。该论文最终发表于Composites Structures，

详见：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117745

图4-多稳态超构复合材料的设计方法

增材制造等先进制造方式的发展为复杂力学超材料的建造提供便利，与此同时，建造参数对力学超材料及其复合结构的力学性能存在着影响，对超材料建造性能的评估和优化是提升结构力学性能的一个重要方面。课题组近一年来围绕此研究方向也陆续发表多篇论文，详述如下：

第一篇论文系统地探索了以PLA为代表的3D打印材料的基本特性，揭示了打印速度、打印温度、打印层高等多因素作用下标准材料试件的力学行为和随机性特征，以及其在受压、受拉和受弯作用下所体现的不同力学性能。为了量化 FDM 建造试件的不确定性，开发了包含打印参数的基于 HSGPR 的数据驱动随机本构模型，以准确描述采用不同建造参数制造的试件的随机本构行为。此外，还提出了一个混合遗传算法（GA）和数据驱动本构模型的数据驱动建造参数优化框架，以优化 FDM 试件的本构行为。通过该框架成功获得了理想的最佳工艺参数，并通过实验结果验证。开发的用于评估和控制 FDM 试件不确定性的数据驱动框架可以扩展到其他 3D 打印材料，无需任何限制，从而推动增材制造在不容忍不确定性的行业中的应用，如航空航天和汽车。该论文发表于Rapid Prototyping Journal，

详见：https://doi.org/10.1108/RPJ-09-2023-0334

第二篇论文将硬质的建构化材料作为增强相，软弹性的硅胶作为基质，形成软质超构复合材料，具有很好的承载能力、延性和能量吸收性能。研究了不同打印材料、体积分数、内填图案、打印参数等建造方式对超构复合材料力学性能的影响。研究发现，打印温度、速度和层高对复合材料力学性能影响是非线性的，并且最佳的打印参数会受超材料几何形状而改变。相对于具有相同增强相质量的复合材料，采用极小曲面图案填充并采用优化参数建造的建构化复合材料比刚度和比吸能显著提升。研究结果为通过建造参数选择和几何设计进一步优化复合材料力学性能提供指引。该论文发表于Mechanics Research Communications，

详见：https://doi.org/10.1016/j.mechrescom.2023.104201

图6-不同打印参数及内填几何在软材料基体中的轴压力学性能

第三篇论文提出了基于力学指引的再生PLA超材料打印参数优化方法，以提升其极限承载力和吸能效果。探究了打印温度、速度和层高对再生PLA耗材力学特性的影响和最优参数组合。进一步对2D和3D超材料提出了根据材料结构的受力状态而选择合理建造参数的基本逻辑框架，对比了不同超构材料在力学指引建造方法作用下的轴压性能影响，同时应用了再生PLA塑料并将其应用在超构材料单元的建造中。研究中针对再生PLA进行探索，但此方法同样适用于其他材料、复杂结构和受力类型。后续可以深入优化切片算法以实现更精确的最优参数区域优化和节点优化，对于复杂结构，有限元模拟和实验工作量巨大，可以结合机器学习等技术进一步优化。该论文发表于建造类顶刊Additive Manufacturing上，

详见：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.103997

第四篇论文提出了一种新型的机械臂空间打印方法，通过采用合适的打印参数、特定的打印姿态和机械臂命令来打印高质量的大尺度晶格结构。现有的研究大多关注如何把具有复杂几何打印出来，而忽略了对打印质量的控制。本工作开发了一种新型的挤出式机械臂空间打印方法，通过采用简单的打印路径、合适的工艺参数和特定的机械臂姿态控制策略，能够制造出杆件笔直、外观质量良好的热塑性空间晶格。此外，进一步部署了双机械臂协同打印，解决了晶格在节点处各层材料粘结不稳固的问题。与现有的机械臂空间打印方法相比，采用本方法可打印出具有更高的抗压和抗弯强度的晶格结构。目前该论文正在审稿中。

力学超材料如何在土木工程特定场景中应用，为韧性可持续结构设计及建造提供新的解决方案。目前为止，课题组尝试在结构耗能减震、道路裂缝控制、多功能流量调节和声学扩散调控等方面进行了探索研究，产出了4篇论文。

第一篇论文利用基于曲梁的金属建构化材料 (Metallic Architected Materials using Curved Beams, MAM-CB) 的塑性，探索了考虑塑性变形的MAM-CB的耗能能力和可编程性，以及在结构系统中作为阻尼构件的应用潜力，如图9所示。通过试验和数值模拟评估了考虑塑性变形的曲梁单元的力学行为；研究了嵌入层级化设计的MAM-CB的力学性能，评估了层级化设计对MAM-CB耗能能力和疲劳寿命的影响；提出了一种使用可定制MAM-CB单元形成的耦合结构装置来增强传统结构能量耗散能力的方法，旨在开发具有增强和可定制的能量耗散特性的新型阻尼组件。将所提出的MAM-CB引入到屈曲约束支撑 (BRB) 的设计中。通过并联 MAM-CB 阵列结构，混合系统克服了 BRB 在其核心材料屈服之前无法进行能量耗散的限制。数值结果表明，易于制造的MAM-CB阵列结构不仅可以提高BRB的韧性和耗能能力，还可以提高BRB在不同地震载荷水平下的耗能性能。该论文发表于Material & Design，

详见：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111262    

第二篇论文基于超构晶格增强土木工程材料的复合策略(Architected Lattice-Reinforced Composites, LRC)，提出将超构材料应用于特定场景和关键界面位置的思路，一方面使晶格超材料的增强性能和新增功能最大化，另一方面使3D打印定制化设计和快速制备的优势充分发挥。论文针对沥青路面、桥面铺装等多层复合结构中容易出现反射裂缝引起的病害问题，将超构晶格复合材料作为层间的局部增强措施，如图10所示，这项概念验证研究从经典的2D几何和3D几何设计开始，采用再生聚合物材料进行3D打印制备成型。试验结果表明，当下层裂缝反射至晶格夹层，柔性晶格层能够耗散裂缝尖端应力，晶格与沥青混合料集料的嵌合及层间粘结力形成的张拉作用使裂缝扩展发生偏转，但两类组合层间结构分别起到了增强和增韧作用，直至夹层间的脱粘变形将耗散300%和132%的断裂能，使循环荷载下的疲劳断裂寿命实现了3个数量级的提高，进而提升晶格夹层的应力吸收性能，有效控制反射裂缝向上传播。该论文旨在为延长路面使用寿命提供定制化的解决方案，并促进废弃塑料的再生应用，为实现可持续的未来减碳降碳，为3D打印超构晶格增强复合材料策略将为设计和优化高性能的韧性基础设施提供一条新途径。该论文发表于Construction and Building Materials，

详见：https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.136174

第三篇论文提出了一种基于简单易组装策略的新型模块化体系结构材料，并证明了其在调节流量方面的通用性和鲁棒性。数值和实验结果表明，通过编程单元几何、单元分布和铰链的空间排列，设计和建立了一系列线性和平面的流量调节器。构建的单元可以组合成各种形式，刚度可定制，重组可控制，形成多功能流量调节器，可调节上游流量、延迟溢流、控制流速和流面廓形等。该论文提出的集成材料-结构设计概念可以扩展到在大范围内实现自适应流量调节，从微流体装置到大型堰或防洪屏障通过与各种智能材料和多材料打印技术相结合，可以进一步实现高级可编程性和自组装。总的来说，该论文展示了一种组装模块化超构材料来调节流量的新路线，模块化设计也为基于不稳定性的、拉胀材料和其他类型的建筑材料的组装和拆卸开辟了新的途径。该论文发表于Advance Engineering Materials，

详见：https：//doi.org/10.1002/adem.202200148

第四篇论文提出了一种新型结构化材料，通过结合两种类型的超材料来实现其在可调谐声学扩散方面的潜在应用。该双层模块化材料由作为驱动层的由屈曲诱导的双稳态/多稳态模块和作为功能层的折纸超材料组成。在数值模拟和模型试验的指导下，证明了混合材料系统和模块化组件能够实现可编程的形状转换，作为功能性表面，形成具有可调节特性的按需声学扩散器。这是通过可编程的多稳态形状转换序列和定制化的折纸结构在线性单元和平面单元组合中共同实现的。与传统的固定结构相比，这种可编程性可以提供根据需求调整散射场方向和在各种状态下扩散系数变化的能力。总体而言，该策略为开发具有可定制特性的声学设备和系统提供了新的途径，且适用于不同的尺度。该论文发表于Extreme Mechanics Letters上，

详见：https://doi.org/10.1016/j.eml.2023.102029

超构材料能否与传统材料结合在大型结构设计、建造与运维中能否发挥作用是目前全球工程材料结构领域的一个热点问题。课题组在过去一年中发表的十余篇论文，从三个角度上证明了这一概念的可行性。相关材料结构设计方法、建造优化手段也适用于不同尺度超材料结构的设计，而针对于土木工程，课题组认为其独特的性能更适用于特殊定制化结构部位或特殊性能功能一体化的场景，也是目前课题组一些在研题目的方向。此外，课题组在过去一年在异形复杂曲面结构数字建造和跨学科材料结构设计方面也发表了多篇论文，将在后续分享中详述。

1. Liu, P., Mao, W., Yin, Y., Gan, Z., Zhao, D. & Hu, N. (2022), Jigsaw-inspired modular architected materials with tailorable stiffness and programmable reconfiguration for adaptive flow regulations. Advanced Engineering Materials, 2200148.

2. Yao, X., Chen, M., Zhao, J., Zhang. Y. & Hu, N. (2022), Tailoring plastic deformation of metallic architected materials toward multi-stage energy dissipations, Materials & Design, 223, 111262.

3. Li, Z., Xie, C., Li, F., Wu, D., & Hu, N. (2023). Heterogeneous geometric designs in auxetic composites toward enhanced mechanical properties under various loading scenarios, Composites Communications, 38, 101499.

4. Xie, B., Li, X., Zhao, X., & Hu, N. (2023). Architected lattice-reinforced cementitious composite: from versatile local designs to tunable global behaviors, Composite Structures, 312,116850.

5. Liu, T., Gan, Z., Yin, Y., Zhao, D. & Hu, N. (2023), Modular shape-switching architected materials toward programmable acoustic properties, Extreme Mechanics Letters, 61, 102029.

6. Chen, M., Yao, X., Zhu, L., Yin, M., Xiong, Y., & Hu, N. (2023), Geometric design and performance of single and dual-printed lattice-reinforced cementitious composite, Cement and Concrete Composites, 143, 105266.

7. Li, Z., Liu, P., Chen, B., Ye, T., Zhang, Y., & Hu, N. (2023), Influence of manufacturing factors on compressive behavior of soft architected composite with a 3D-printed cellular core. Mechanics Research Communications, 134, 104201.

8. Yao, X., Liu, K., Dong, Q., Li, X., Ma, C., & Hu, N. (2024), Tunable and recoverable energy absorption of foam-embedded architected cellular composite material at multiple strain rates, Composites Structures, 329, 117745.

9. Ma. W., Dong., Q., Zhao, H., Li, X., Xiong, L., & Hu, N. (2024), Mechanics-guided manufacturing optimization framework to enhance the strength of architected lattice printed by recycled plastic wastes, Additive Manufacturing, 81, 103997.

10. Chen, B., Mao, W., Lin, Y., Ma, W., & Hu, N. (2024), Manufacturing-induced stochastic behaviors and GA-HSGPR based printing parameter optimization of FDM-based tensile specimens, Rapid Prototyping Journal. (in press)

11. Xie, B., Tian, R., Zhao, H., Ye, T., Zhang, Y., & Hu, N. (2024), Controlling crack propagation in layered beams with architected lattice-reinforced composite interlayer designs, Construction Building Materials, 426, 136174.

12. Lin Y., et al, Optimizing spatial material extrusion method to improve print quality and mechanical strengths of large-scale thermoplastic lattice structures (in review)

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来源于多样化结构实验室VSL

排版 | 李佳琪

审核 | 胡   楠