具有能量耗散特性的机械超材料可以在工程领域提供冲击缓解。然而，目前的耗能超材料经常面临耗能性能和承载能力之间的权衡，严重限制了其在高强度冲击场景中的实用性。在这里，受蘑菇鳃的启发，我们提出了一种由几何挫折引起的卡通屈曲机制，并构建了一种卡通超材料(STM)来解决这个问题。通过对分岔屈曲现象的分析，对STM进行了改进，使其具有更高的耗能效率。实验表明，STM可自适应地耗散能量并减轻影响，以可重复使用、可自我回收和速率无关的方式实现高达33%的减少，从而实现综合性能。采用预压策略可根据需要进一步提高其缓解冲击的能力。值得注意的是，STM的承载能力比以前的设计高出55倍。提出的STM设计策略为基于相互作用的超材料的发展铺平了道路，使其能够应用于先进的阻尼器、机械波导、软机器人和低频能量采集器。
图解
图1:具有高承载能力的STM单元电池的概念。(a)当平菇收缩时，鳃变得(i)沿着它们的长度被压缩，导致它们(ii)弯曲，(iii)形成一个新的稳定的结构安排。(b)受蘑菇鳃启发的STM单元细胞的初始结构。引入可控设计来控制初始屈曲和随后的卡通屈曲方向。在设计过程中注意几何参数。为了清晰，条带的厚度和偏移距离被夸大了。(c)由有限元得到的力-位移曲线及相应构型。STM单元格的关键配置，即底部表面保持固定，顶部表面施加压缩，对应于(a)中蘑菇鳃的变形。与纯压缩(拉伸主导行为)对应的加载阶段用红色箭头表示。其他加载阶段导致屈曲(弯曲主导行为)。对加载曲线和卸载曲线围合的面积进行积分，计算耗散能量Udis。
图2：STM单元的分岔屈曲及改进。(a)受挫薄带经历的两个分岔。低阶模态w0(x)分岔到高阶对称屈曲模态w2(x)并返回到相反的低阶模态w0(x)(红色箭头所示)比w0(x)分岔到高阶非对称屈曲模态w1(x)并返回到w0(x)(蓝色箭头所示)耗散更多的能量，表现出更高的强度(如图中插入)。(b c)非对称屈曲模式下STM单元胞的有限元和实验变形形态，以及实验、有限元和理论计算的力-位移曲线。STM单元胞的几何参数为L = 100 mm, b = 15 mm, S = 12 mm, t1 = 1.2 mm, t2 = 1.6 mm。(d)当L = 100 mm, t2 = 1.6 mm时，比阻尼系数w以S/L和t1/t2表示的等高线图。图中的灰色区域表示塑性变形。分别考察了不同w值所对应的具体尺寸，分别用红圈和蓝三角表示，其力-位移曲线分别如图(c)和(f)所示。(e f)高w对称屈曲模式下STM单元胞的变形形态和力-位移曲线。(g)改进耦合STM单元电池，提高能量耗散性能。耦合薄带和厚带的参数中心线曲线分别在¼0:2 cosð p 50 xÞ 0:2 cosð p 25 xÞ和厚带的参数中心线曲线分别在¼0:5 cosð p 50 xÞ以内。带材厚度t1 = 1mm, t2 = 1.6 mm，耦合带材的偏移距离DS = 4mm。其他未指定的几何参数与(b)中相同。底部插入图表明，耦合STM比未修改的STM具有更高的比阻尼系数。(h i)耦合STM单元格的变形形态和力-位移曲线的有限元分析与实验比较。
图3：耦合STM体素的动态冲击分析。(a)碰撞高度H = 110 mm时，耦合STM体素在卡通屈曲过程中的快照。(b)碰撞高度H下耦合STM体素与未卡通屈曲的控制体素之间加速度峰值峰值与碰撞高度H的关系比较。将撞击高度划分为R1、R2、R3三个区域，用不同的颜色进行演示。(c)从110毫米的高度释放一个顶部有一个蛋的冲击板，在有或没有卡扣的情况下撞击体素。鸡蛋在冲击无穿透体素时破裂。插入显示了体素的两种不同的变形模式。(d)卸载和预加载耦合stm的准静态和动态响应。Fmax对应于卸载耦合STM的最大力。红色和蓝色区域分别表示耗散能量Udis和返回能量Uret。利用一个2.4 kg的冲击板从不同的自由落体高度落下，模拟了动态响应。记录回弹高度Hre，以比较耦合STM与无卡断屈曲的对照组的冲击缓解。
考虑到自恢复和返回能量最小，选择预紧力Fpre为0.4Fmax。(e)通过投放一箱水，对承载耦合的STM体素(上)和海绵(下)进行货物装载试验。插图显示了耦合STM体素的特定变形模式。(f)落箱在三种不同垫层上高度H = 100mm处的加速度响应。
图4：比阻尼能力与强度的Ashby图。
结论
我们已经报道了具有高承载能力的有效能量耗散的STM。受蘑菇鳃的启发，设计的超材料利用了两条条带之间的相互作用，并通过几何受挫条带的弹跳屈曲来消散能量。在多步变形过程中，通过初始轴向压缩和接触加筋获得了超高的承载能力。基于分岔屈曲对材料进行了改进，提高了材料的耗能效率。准静态压缩实验证实了超材料的可重复使用、自恢复和速率无关的承载能力，而冲击试验证实了其有效的能量耗散以减缓冲击。与现有曲线梁材料相比，所开发的耗能材料具有更高的承载能力、更少的单元耗能、更小的临界应变和自恢复鲁棒性等特点。
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原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.06.003
