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该研究通过非线性瞬态有限元模拟，分析具有双稳态 auxetic 复杂芯 sandwich 面板在低速度冲击下的能量耗散机制，验证了 snap-through 反应可使能量耗散提升35%。对比管状芯 sandwich 结构，复杂芯设计使渗透深度减少16%、压缩力效率提升13%，且结构各向异性角度优化（20°）显著增强性能。研究揭示了曲边与直角边 auxetic 核心对冲击响应的影响规律，为冲击防护结构优化提供理论依据。
Mohit Kr Sharma | Sukanta Chakraborty
印度丹巴德印度理工学院（ISM）土木工程系
摘要
本研究对采用双稳态负泊松比（auxetic）凹形核心的夹层板在低速冲击下的性能进行了数值分析，重点关注通过“断裂穿透”（snap-through）机制实现的能量耗散。研究中使用了弯曲和带角形的双稳态凹形单元作为夹层核心，并通过考虑几何非线性、接触效应以及应变率敏感的材料行为的非线性瞬态有限元仿真进行了分析。对添加制造出的弯曲双稳态凹形单元进行的准静态压缩测试验证了其“断裂穿透”现象，并显示出与非双稳态设计相比能量耗散增加了约35%。该数值框架适用于6.2至10.3米/秒的冲击速度范围，包括对单元几何形状、双稳态特性及各向异性方向的参数研究。与文献中报道的管状核心夹层板相比，双稳态凹形核心在相同峰值载荷下可将穿透深度减少多达16%，同时将压碎力效率（Crushing Force Efficiency, CFE）提高13%。带角形的凹形核心具有更高的峰值冲击力，而弯曲的凹形核心由于在屈曲后的行为更为平滑，因此具有更好的压碎力效率（约75%），这突显了材料的各向异性特性。研究结果表明，双稳态负泊松比核心是一种有效的抗冲击复合夹层结构设计策略。
引言
夹层结构，特别是网格核心板，在航空航天和交通运输等不同工业领域中的应用日益增多，这得益于它们在比强度、刚度以及能量吸收能力方面的优异性能。当这些结构需要抵抗低速冲击等动态载荷时，对其性能进行优化尤为重要。研究人员提出了多种负泊松比蜂窝结构[1][2][3]，包括V形[4][5][6][7]、圆柱形[8][9][10]、星形[11]、弯曲凹形[12][13][14]、箭头形[15][16][17][18][19][20][21]、花生形[18]、多孔形[18]和方形[18]等，这些结构常被用作夹层结构的核心。其中最常见的是凹形蜂窝结构，它是传统六边形蜂窝的改良版本，由于其向内折叠的构造而具有负泊松比（NPR）[2][20][22][23][24]。当受到垂直于蜂窝方向的压缩时，负泊松比凹形蜂窝会横向收缩，并展现出优于传统蜂窝的机械性能，如更高的抗压缩性和剪切模量、更好的冲击吸收能力（EA），同时对周围结构的破坏性也更小。然而，由于负泊松比凹形蜂窝复杂的变形模式和机械特性，其抗冲击性能仍有待进一步研究。
具有正泊松比核心的夹层结构的动态行为已通过实验、数值和理论方法得到了广泛研究。相比之下，利用负泊松比蜂窝核心的夹层结构的实验研究相对较少。这种现象主要是由于负泊松比蜂窝的几何复杂性，这使得使用传统加工方法制造可测试样品面临挑战。因此，该领域的大部分研究依赖于有限元（FE）仿真。数值研究表明，与使用传统核心的夹层结构相比，负泊松比蜂窝核心的夹层结构具有更强的抗弹道冲击能力。进一步分析变形和失效机制的仿真结果也支持了这一结论，即基于负泊松比蜂窝的夹层结构具有更优越的抗冲击能力和能量吸收能力。
近年来，学者们设计并制备了多种多稳态机械超材料，这些材料通过弹性不稳定性实现能量吸收，使其特别适合用于船舶防护结构。Whitman等人[26]对金属双稳态结构进行了概念验证实验，展示了它们更有效的损伤分布能力及其在能量吸收应用中的潜力。Winkelmann等人[27]提出了一种复合双稳态设计，能够调节应变、强度和刚度的组合，从而实现显著的能量吸收能力。Tao等人[28]研究了一种多功能超材料，该材料具有可重构的形状、机械适应性和可重复使用性，能够适应多种环境条件。Yang等人[29]开发了一种轻质双稳态超材料，通过其双稳态机制实现了显著的弹性能量吸收和结构恢复能力。Fancher等人[30]在前人研究的基础上，提供了双稳态超材料在冲击作用下的理想能量吸收能力的分析估算。Ju等人[31]创造了一种新型多稳态超材料，采用框架加固的弯曲梁设计，通过数值仿真和实验测试证明了其稳定的双稳态行为和一致的能量捕获能力。Kueh等人[32][33][34]研究了不同拱形核心材料的生物启发式夹层梁的抗冲击性能，尤其是在低速冲击条件下的表现。Sharma等人[35]研究了蜂窝单元及其具有断裂机制的混合双稳态变体的变形机制，发现其在负泊松比效应下表现出更好的能量耗散效果。此外，他们还通过数值仿真分析了断裂穿透超材料（STM）[1][30][36][37]的双稳态屈曲行为，并将其结果与Yan等人[38]报告的准静态测试结果进行了比较。通过将凹形负泊松比结构与STM结合，开发出了一种混合凹形材料，该材料具有更高的强度、在不同几何形状下的可靠自恢复能力和出色的承载能力。分析表明，20°的凹形角度能够提供最佳的断裂穿透能量耗散效果。
尽管Sharma等人[35]及相关研究探讨了凹形和断裂穿透超材料在准静态或受控载荷条件下的变形机制、双稳态断裂行为和能量耗散特性，但它们在低速冲击下的响应仍缺乏系统研究。以往的研究主要集中在准静态压缩测试或数值屈曲分析上，对于这些混合凹形结构在时间依赖性、脉冲性或冲击诱导载荷下的性能知之甚少。特别是，低速冲击下断裂穿透机制的速率依赖性行为尚未得到充分研究，其中双稳态断裂力和能量吸收可能与准静态条件有显著差异。此外，也缺乏专门针对混合负泊松比-STM结构动态响应的实验研究或数值仿真。这些研究空白凸显了对混合凹形断裂穿透超材料在低速冲击下的行为及其相关动态能量吸收机制进行系统研究的必要性。
本研究在Sharma等人[35]提出的混合凹形设计基础上进行了扩展，评估了在低速冲击下将具有双稳态断裂行为的负泊松比蜂窝核心集成到夹层板中的实用性和优势。通过使用商业FE软件进行的数值仿真，详细研究了负泊松比蜂窝夹层结构的损伤模式和能量耗散机制。此外，还进行了一系列参数研究，以评估蜂窝几何形状、冲击速度变化以及凹形单元方向对夹层板抗冲击性能的影响。
方法论
本研究采用基于有限元的框架，旨在通过优化混合负泊松比超材料的排列来提高低速冲击下的能量吸收能力，从而增强抗冲击性能。所提出的凹形单元已通过准静态压缩实验进行了验证，并通过FE分析进行了仿真。对于低速冲击，首先参考了文献[39]中的实验模型进行验证，随后...
FEA模型的验证
在本节中，开发了之前关于夹层板动态行为研究的实验样品的三维数字模型，并将其集成到当前研究的FEA框架中。通过将关键比较指标（如应力、应变等）与实验数据进行对比，以验证FEA模型的准确性。
准静态压缩测试
由于立体光刻（SLA）3D打印技术具有高分辨率和优异的表面质量，因此被选用于制造负泊松比超材料样品。SLA利用光聚合方法，通过紫外激光逐层固化液态树脂，能够精确再现具有精细结构特征的复杂几何形状。这种精度对于实现复杂结构特别有利。
结论
研究表明，基于凹形结构的夹层板的冲击性能受到单元几何形状、断裂穿透不稳定性、方向配置和冲击速度的相互作用显著影响。弯曲的凹形结构具有更高的初始刚度、更大的峰值冲击力和更小的穿透深度，使其非常适合需要即时抵抗变形的应用。相比之下，带角形的凹形结构...
CRediT作者贡献声明
Mohit Kr Sharma： 负责撰写原始草稿、方法论制定、数据收集和分析。
Sukanta Chakraborty： 负责审稿与编辑、监督工作以及概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
