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(jié)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(xiàn)薄壁結(jié)構在坍塌過程中可以呈現(xiàn)穩(wěn)定可控的變形模式。而在薄壁結(jié)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(jié)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(nèi)部LS可以通過相互作用改變薄壁結(jié)構的變形模式，使混合結(jié)構可以吸收比組件總和更多的能量。然而，現(xiàn)有的晶格填充薄壁結(jié)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(nèi)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(jié)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(jié)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(jié)構設計和尺寸參數(shù)；（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(xiàn)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(jié)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(nèi)部LS影響了外管壁的變形模式，并導致折疊數(shù)量增加。具體而言，空管從上到下彎曲，產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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(jié)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(zhuǎn)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%。