供稿人：尹文成、王玲 供稿單位：西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-04-26
薄壁結構由于其良好的耐撞性和輕量化性能，已被廣泛應用于車輛的被動安全系統(tǒng)。對于能量吸收器的應用，研究人員發(fā)現薄壁結構在坍塌過程中可以呈現穩(wěn)定可控的變形模式。而在薄壁結構中進行填充，可以在不增加過多重量的情況下提高耐撞性。其中，晶格結構（LS）近年來因其優(yōu)異的力學性能、靈活的可設計性和精確的定制特征而引起了廣泛關注。內部LS可以通過相互作用改變薄壁結構的變形模式，使混合結構可以吸收比組件總和更多的能量。然而，現有的晶格填充薄壁結構研究主要集中在金屬材料上，而不是復合材料。即使在有限的復合材料的研究中，外管和內填料也是單獨制造的，這將使協(xié)同效應難以最大化。
以下研究采用熔融沉積成型（FDM）技術制備了填充LS的復合材料多胞管，且分別設計了裝配式和一體式兩種組合策略，如圖1。通過準靜態(tài)壓縮試驗驗證晶格填充管的壓縮響應和能量吸收特性，詳細研究了多胞管和晶體結構的變形機理及協(xié)同效應。在此基礎上，對兩種組合策略不同變形模式的復合結構填充多胞管的平均壓潰力進行了理論分析，且與實驗研究吻合良好。
圖1（a）晶格填充管的結構設計和尺寸參數；（b）LS晶胞；（c）FDM原理；不同組合策略的示意圖：(d) 裝配式晶格填充多胞管；(e) 一體式晶格填充多胞管
在增材制造的多胞管和LS的基礎上，構建了晶格填充多胞管，以實現更好的耐撞性。圖2（a）和圖3（a）的陰影部分代表 “晶格+管”與晶格填充管之間協(xié)同效應導致的吸能差異。可以看出，將LS填充到多胞管中顯著提高了薄壁結構的耐撞性。第2（b）和圖3（b）可以看出組裝式和一體式晶格填充管的能量吸收（EA）分別比其組分之和高55.6%和83.8%。
圖2（a）力-位移曲線和（b）不同組件的晶格填充管（組裝式）之間的能量吸收特性的比較
圖3（a）力-位移曲線和（b）不同組件的晶格填充管（一體式）之間的能量吸收特性的比較
從圖4中的壓縮過程可以看出，內部LS影響了外管壁的變形模式，并導致折疊數量增加。具體而言，空管從上到下彎曲，產生折疊波長較長的塑性折疊，并伴有橫向撕裂，如圖4（a）所示。而在圖4（b）中，外壁上的褶皺幾乎同時產生，并一起被擠壓到致密化階段，顯示出動態(tài)塑性屈曲模式。當外部多胞管和內部LS整體制造時，管壁相鄰單元的折疊從交替模式變?yōu)閷ΨQ模式，并且角單元在延伸模式下產生折疊，如圖4（c）所示。
圖4（a）空的多胞管，（b）組裝式晶格填充管和（c）一體式晶格填充管的壓縮過程
結論表明，組裝式和一體式晶格填充管的EA分別比各組分之和高55.6%和83.8%。當晶格填充管整體制備時，協(xié)同效應使多細胞管的折疊模式從不對稱模式轉變?yōu)閷ΨQ模式，進一步提高了耐撞性和吸能均勻性，整體晶格填充管的SEA和CFE分別比空管高33.4%和29.3%。