在各向异性材料中，具有负泊松比（NPR）的材料是一个典型例子。这类材料在单轴拉伸或压缩下表现出违反直觉的变形行为。与传统材料不同，NPR材料在拉伸时横向膨胀，在压缩时横向收缩。研究表明，这类材料具有优异的性能，包括振动阻尼、吸音、抗压痕性、高剪切模量、大的平面应变断裂韧性、低疲劳裂纹扩展速率[1]、[2]、[3]、[4]以及抗拉伸屈曲能力[6]。这些优异的材料性能对于高性能航空航天、海洋、军事、生物医学和能源行业的轻量化制造和智能发展至关重要，有助于克服传统材料和结构的局限性[7]、[8]、[9]。
大多数各向异性超材料采用具有凹形几何结构的晶格结构，如图1所示。这些材料通常用作实际工程应用中的夹层结构芯材。这类结构通常由两层面板和一个芯材组成。在工程环境中，夹层梁经常面临意外 的准静态穿透和冲击载荷，例如鸟击、冰雹撞击和雷击[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。Hou等人[20]设计并比较了具有晶格芯材的夹层梁的可靠性。具体来说，这些芯材采用碳纤维增强复合材料（CFRP）层压板，同时具有NPR和正泊松比（PPR）特性。通过低速冲击（LVI）实验发现，虽然NPR芯材吸收的能量较少，但其全局屈曲特性提供了最佳的力传递衰减和能量耗散性能。Li等人[21]引入了一种具有功能梯度（FG）NPR 3D晶格芯材和石墨烯增强面板的纳米复合夹层梁。利用Halpin-Tsai模型和全尺寸非线性有限元分析（FEA），结果表明其抗跌落冲击性能优于传统的凹形蜂窝芯材。尽管存在NPR芯材，这些夹层梁仍缺乏全局各向异性行为。
另一种常见的各向异性材料是金属泡沫，如图1所示。这类材料在保持轻质特性的同时提高了超材料结构的刚性。多孔泡沫由固体基体与孔隙组成。由于密度低、能量吸收能力强、隔热性能优异、吸音效果好以及导电性良好，它们在航空航天、海洋工程、核反应堆、能量存储和生物工程等领域得到广泛应用[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。1987年，Lakes[27]首次制备出了泊松比为-0.7的泡沫材料，将这种不寻常的特性归因于加工过程中孔壁从外曲变为内曲的几何变形。后续研究[28]、[29]在多种泡沫系统中成功复制了这一现象，证明了实现接近-1的NPR值的潜力。
在泡沫芯材的应用中，泡沫通常用作当前大多数NPR设计中晶格结构空隙的填充材料。例如，Wang等人[30]介绍了一种新型建筑材料，该材料由分层梯度混凝土泡沫填充在NPR铝蜂窝芯材中，用于冲击测试。结果显示，这种芯材结构的能量吸收能力仅比均匀芯材高约5%，而峰值载荷显著降低了30%。在另一项研究中，Zhao等人[31]利用理论建模和有限元模拟分析了泡沫填充NPR梁的LVI响应。他们提出的模型包含一个无量纲参数，用于根据泡沫强度、NPR结构宽度和泡沫厚度量化抗冲击性能，同时考虑了整体结构重量。结果表明，泡沫强度和厚度是主要的影响因素。当泡沫用作填充材料时，其泊松比仍为正值，这引发了关于整个芯材结构各向异性特性的疑问。
Esen等人[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]对夹层结构的研究表明，泡沫拓扑结构、FG配置和石墨烯增强的协同组合显著提升了材料在热屈曲/振动、压电激励、磁致伸缩耦合和机械冲击/波传播方面的性能。泡沫拓扑结构实现了质量减重并优化了阻尼性能，FG设计减轻了界面应力集中，石墨烯增强提高了多功能稳定性，满足了航空航天和微系统对轻质且刚性结构的关键需求。值得一提的是，这项工作首次提出了具有多方向各向异性的整体芯材——集成GPL增强的FG各向异性泡沫——其性能优于传统的PPR芯材和分层系统。
尽管NPR多孔泡沫材料在先进结构和功能应用中具有巨大潜力，但孔隙的存在会降低其机械性能，如杨氏模量、剪切模量和结构刚性[41]、[42]、[43]、[44]、[45]。为了提高这些多孔材料的机械性能，研究人员建议将微纳米纤维增强材料或石墨烯引入聚合物泡沫[46]、[47]。其中，石墨烯片（GPL）尤其具有前景，通常由2-10层石墨烯片组成，可有效增强复合材料性能，并降低金属泡沫的脆性，使其更适合用于增强金属泡沫结构。然而，纳米尺度测试的复杂性[48]限制了实验研究的数量，导致更多依赖分子动力学模拟来预测GPL的机械性能[49]、[50]、[51]。最近，Zheng等人[52]首次利用有限元和分子动力学模拟方法系统地确定了GPL的温度依赖性材料性能。该研究还观察到了预测过程中GPL的各向异性特性。
此外，一些研究人员基于经典层压理论设计了具有各向异性特性的层压梁。Fan和Wang[53]开发了一种碳纳米管增强复合材料（CNTRC）的夹层梁模型，在LVI条件下表现出垂直于平面的NPR。他们的结果表明，温度、FG配置和碳纳米管体积分数显著影响了梁的垂直于平面的泊松比和抗冲击性能。Lin和Wang[54]利用经典层压理论和试样实验设计制造了平面NPR夹层结构。数值模拟表明，在5-8 J的冲击能量下，NPR层压材料的损伤显著降低：层间分层面积减少了12.6%，表面基体压缩损伤减少了38%，单根纤维拉伸损伤面积减少了14.6%。这些发现展示了NPR层压材料的定向损伤抑制能力。
本文提出将GPL增强、FG设计的各向异性金属泡沫制造和各向异性层压设计相结合，以开发出具有全局性和多方向NPR的夹层梁。研究旨在通过LVI分析探索这种创新设计的工程应用价值。如图2所示，研究的初始阶段采用三轴热压缩方法制备各向异性GPL增强（GPLR）多孔铝泡沫。测量其温度依赖性材料性能后，将泡沫芯材与基于机器学习的各向异性CFRP层压材料结合，形成具有全局性和多方向NPR的夹层梁。综合实验和有限元模拟验证并观察了梁在LVI下的响应，突出了多向各向异性夹层梁在抗冲击工程应用中的独特优势。
