在曲面设计结构中，球状镂空结构具有较为明显的应力平台期与优异塑性性能，通常被广泛设计填充于防护装备当中作为能量吸收的理想结构。然而，当前航空航天工业对更为轻质化的防护装备有着越来越高的需求，现有的球形镂空结构具有设计灵活度不高，失效模式不可控，曲面设计空间未被充分利用等不足。随着增材制造技术引领的制造业革命赋予了结构设计越来越高的自由度，设计失效模式可控、更为轻质化、吸能能力更为优异的新一代结构迫在眉睫。
据此，来自上海交通大学材料科学与工程学院王浩伟教授团队的研究人员，基于蜂窝的高能量吸收结构设计了具有仿生表面微结构的多层级球形点阵结构，并基于实验数据对不同微结构拓扑类型与密度的仿生元胞建立了设计参数与力学性能的模型。基于该模型，研究人员进一步提出了结构失效模式控制设计策略，将逐层失效与晶界强化设计成功实现于该结构当中。相关结构的比吸能相较于同等密度的轻质材料具有近72%的提升。
相关研究成果以题目为：“Additively manufactured high-energy-absorption metamaterials with artificial engineered distribution of bio-inspired hierarchical microstructures”的论文在复合材料领域高水平期刊Composites Part B: Engineering上发表，博士生高振洋为第一作者，王洪泽副教授和吴一副研究员为共同通讯作者，共同作者还包括孙华助理研究员，博士生孙腾腾，英国伦敦大学学院Chu Lun Alex Leung教授和王浩伟讲席教授。
论文连接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110345
主要研究成果
图1. 论文的图形摘要
论文主要使用基于rhinopythonscript设计了相应结构的生成算法，并基于实验研究建立了bending-dominated与strech-dominated仿生元胞力学性能与拓扑密度模型。基于该模型建立了失效模式控制方法，从而实现了具有逐层失效与晶界强化的超高比吸能仿生结构（图1）。
图2. 仿生多层级球形点阵结构设计算法
本研究提供了一种仿生多层级球状点阵结构（SHS）设计和多级失效模式工程策略，其中开发了一种复合分级 SHS 晶格结构，具有优异的比吸能、致密化应变和平台应力。为了实现不同的压缩力学性能，研究者根据仿生多层级SHS元胞设计算法（图2）提出了bending-dominated honeycomb （BHC）与strech-dominated honeycomb (SHC)两种蜂窝拓扑结构（图3）。
图3. 基于蜂窝设计不同失效模式的多层级仿生元胞：（a）bending-dominated honeycomb (BHC), （b）stretch-dominated honeycomb (SHC)
为了人为控制仿生多层级SHS 晶胞的力学性能并设计其力学性能分布，研究者基于EOS M280 SLM金属3D打印平台利用具有较高延展性的AlMgScZr粉末制备了不同拓扑密度的BHC与SHC SHS元胞（图4），其测量的杆单元尺寸较好地反馈了设计结果。
图4. 不同拓扑密度的AlMgScZr仿生SHS元胞
研究者通过实验与模拟结合的方式，研究了不同拓扑密度下SHC与BHC元胞力学性能实验观测（图5）这些元胞在压缩载荷下的变形过程、应力分布、与力学曲线。其结果标明不同拓扑密度的元胞具有不同的失效模式，其中SHC元胞相比于BHC具有强度更高，塑性较低等特点。并且，随着微结构密度的变化，元胞力学性能具有一定的规律性。
图5. 不同拓扑结构与设计参数的多层级仿生元胞压缩应力应变实验曲线与变形过程仿真模拟
图6. BHC与SHC元胞力学性能与设计参数关系模型
为了通过设计参数控制元胞的力学特性，研究者基于实验数据进一步建立了微观结构拓扑类型、拓扑密度和相应的力学性能之间的关系（图6）。利用该力学模型，本研究提出了一种利用人工设计力学性能分布来控制仿生多层级SHS点阵结构变形过程的方法，具体设计流程如图7所示。基于失效模式控制，结构在不同应力条件下的变形可被有效控制。
图7. 失效模式控制设计方法
为了进一步论证本研究的方法，研究者利用失效模式控制方法设计了一种具有逐层失效和人工晶界的仿生多层级SHS点阵（图8）。实验结果（图9）标明该结构由于极高的平台应力，延后的致密化应变从而具备了十分出色的比吸能。
图8. 具有逐层失效与人工设计晶界的仿生多层级球形点阵结构
图9. 逐层失效与人工设计晶界的仿生多层级球形点阵结构压缩特性与变形过程
为了对比本研究提出的结构设计与现存不同轻质材料的吸能特性。本文建立了密度区域类似的轻质吸能材料的Ashby chart，其结果表面本研究所提出的轻质吸能点阵结构相比于类似密度的轻质化材料具有50%以上的致密化应变提升和70%以上的比吸能提高。
图10. 不同轻质吸能材料的比吸能性能对比Ashby charts
本研究的相关结果对设计新一代失效模式可控的、更为轻质有效的能量吸收结构具有重要指导意义。
论文在国家自然科学基金 (52075327，52004160)、上海市自然科学基金(20ZR1427500)、上海市扬帆计划（20YF1419200）、安徽省淮北市科技重大专项(Z2020001)等经费的资助下完成。王洪泽副教授感谢欧盟玛丽居里学者基金的资助，以及英国皇家工程院院士、伦敦大学学院Peter D. Lee教授课题组提供的科研条件。Chu Lun Alex Leung教授感谢英国工程和自然科学研究委员会先进粉体制造集群项目的支持。
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