超材料是现代科学技术领域中一个独特的研究方向，因其独特的性质和广泛的应用潜力而受到全球研究人员的关注。其中，机械超材料[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8]凭借其巧妙的人工设计和制造工艺、特殊的微观结构以及机械性能，在强度、刚度[9],[10],[11],[12],[13]、能量吸收与储存[14],[15],[16],[17]等方面展现了超越传统材料的优异性能。
负泊松比（NPR）材料是一种机械超材料，其在受压时表现出反直觉的收缩现象，这一特性主要源于其特殊的微观结构设计，如多孔结构[19]、周期性排列的晶格[20],[21],[22]以及人工手性结构[23]。这些设计能够改变材料内部的力传递路径和分布模式，从而在受力时产生与传统材料不同的变形方式，赋予其一系列优越的性能，例如优异的能量吸收[24]和抗冲击性[26]。吕等人[26]利用Voronoi镶嵌技术设计了具有NPR特性的各向同性泡沫芯，其抗冲击性能比传统内凹结构的复合夹层板提高了约1.5倍。姚等人[21]通过模仿金红石晶体的菱形链结构并加入弹性梁，设计了具有NPR和负压缩性的超材料。一些这类创新结构是基于内凹结构理论[27],[28],[29],[30],[31]设计的，而另一些则借助拓扑优化[32]或深度学习[33]等方法实现。然而，虽然内凹结构和内部凹陷等设计可以使材料获得NPR特性，但内部结构的协同效应会导致结构强度降低。为了解决NPR材料强度不足的问题，学者们进行了大量研究。崔等人[34]指出，通过调整正弦形单元格的弦高与边长的比例，可以同时调节曲线凹面泡沫（CCF）的NPR、能量吸收和损伤特性。与相同质量的常规开孔泡沫（COF）相比，合理设计的CCF结合了较高的刚度和强度、更强的能量吸收能力以及更好的抗损伤性能。任等人[35]提出了一种具有嵌入式沙漏结构的高压缩NPR材料，其NPR比三维内凹结构高出16.74%，压缩承载能力比受牵牛花启发的晶格结构（MGS）高出55.21%。刘等人[36]将碳纤维增强尼龙材料（Nylon 12CF）与内凹六边形蜂窝芯结合，实现了高比强度、高比能量吸收（SEA）和优异的抗冲击性，同时保持了材料的NPR特性。吕等人[37]将三轴正交压缩与常见晶格结合，建立了一种从高强度晶格到NPR结构的两步建模方法，突破了传统内凹或旋转机制NPR材料低比强度的瓶颈，设计出的NPR结构比三维星形NPR结构的比强度高出1.5倍。然而，该方法仍存在局限性：只有当Maxwell数M≤0的单元格作为初始模型时才能通过该方法实现NPR。
可以看出，为了提高NPR结构的强度，修改内凹结构的设计并引入增强纤维或高强度晶格是可行的方法。然而，上述大多数研究仅针对特定结构进行了探讨，或将材料仅作为夹层材料使用，缺乏获得独立NPR材料的通用设计方法。此外，这些研究大多关注材料的单一性能，未能充分考虑NPR材料的多种特性。因此，同时具备高强度和高能量吸收特性的NPR材料的研究仍有待发展。基于三维晶格结构的超材料在轻量化、刚度[38]、强度[39]和能量吸收[40],[41],[42],[43]方面表现出优异性能。提出一种基于轻量化高强度晶格结构的设计方法，同时实现高比强度和高SEA是一个有趣的研究方向。通过正交三轴压缩可以局部弯曲晶格结构，从而获得一定的NPR效应。当压缩程度较大时，结构内部的自接触效应[44],[45],[46]会减弱NPR效应，尤其是在以拉伸为主导的晶格中[47]。因此，通过随机移除晶格结构中的一些杆件来预先制造初始缺陷，可以减弱结构的自接触效应。这种方法避免了传统的随机设计和阵列设计方法，大大节省了初始设计时间。此外，它解决了传统方法设计的NPR材料比强度低的问题，实现了NPR、高比强度和高SEA的协同增强。
本文采用随机缺陷作为诱导机制，首先从结构中随机移除一些杆件，然后结合正交各向异性三轴压缩方法，探索了一种基于轻量化高强度晶格结构的NPR结构设计方法。该方法打破了传统的NPR结构设计方法，后者侧重于先设计NPR单元格再配置阵列。它消除了设计NPR单元格所需的大量工作，并在一定程度上解决了比强度低的问题，从而在轻量化高强度晶格结构中实现了NPR、高比强度和高SEA的协同增强。通过单轴压缩有限元模拟和实验计算了晶格结构的泊松比、比强度和SEA，分析了诱导比率和压缩比率的影响，并通过实验与NPR三维RSS结构进行了性能对比。
