《IJMS》:武汉理工大学罗国强、魏琴琴教授联合日本东北大学CRC-MS中心程建锋教授,在点阵超结构力学领域取得突破性进展.
晶格结构由于其优异的机械性能和显著的能量吸收，已被广泛研究并用于航海、航空航天及冲击防护等领域。通过调整晶胞的几何形状和连接方式实现调节刚度、强度和破坏模式，与密实材料相比，具有更灵活的设计性。尽管具有这些优势，传统晶格结构在准静态或动态载荷条件下仍常存在局限性，例如不可控的变形或过早断裂，这可能会降低其能量吸收效率。晶胞的拓扑结构在决定点阵结构的机械性能中起关键作用。例如基于十二面体和三重周期最小表面（TPMS）晶格的设计已被证明能够增强结构的强度和刚度。然而，这些结构通常涉及复杂的几何形状，增加了制造和实际应用的难度。另一种常见方法是增加杆件直径或沿载荷方向的晶格单元数量，以提高相对密度和机械稳定性。然而，这一策略不可避免地增加了结构质量，这对于要求轻质结构的应用来说并不有利。
为了解决上述限制，本团队研究蝴蝶翅膀发现，基于蝴蝶的翅膀由薄膜组成，并由从外部边界向内延伸的脉络网络加固，以承载荷载并均匀分布压力。虽然蝴蝶翅膀脆弱且无法吸收大量能量，但通过弯曲脉络提供的均匀应力分布，它们在飞行中的高频振动下仍能保持结构稳定。这一自然机制启发了我们仿生点阵结构的设计，通过减缓局部应力集中，从而在冲击载荷下减缓失效，提高了能量吸收能力。为了将这些生物力学优势应用于工程，我们从红色轮廓的脉络几何中提取了弧形单元，并随后绕中心轴旋转90°，形成图1(a)中的柱状框架。并将这种结构特征引入传统BCC结构中形成蝶型BCCB结构。为了分析其力学行为及强化机制，开展了准静态压缩试验和动态加载实验。后者采用SHPB测试结合DIC技术来捕捉原位变形。在不同应变速率下观察到了多稳态变形模式。利用有限元分析和理论模型对各向异性行为进行了分析，从而更深入地理解其强化机制。该成果发表于机械/力学顶刊International Journal of Mechanical Sciences上，魏靖博士为论文第一作者，魏琴琴副教授，罗国强教授，程建锋副教授为论文通讯作者。
图1 蝶型点阵结构设计示意图
图2 蝶型点阵结构的制备及表征
图3 有限元模拟分析: (a) 准静态测试; (b) SHPB测试
图4. 实验和模拟的名义应力-应变曲线：（a） BCC在2.5*10-4 m/s撞击速度下;（b） BCCB在2.5×10-4 m/s的撞击速度下;（c） BCC在35 m/s撞击速度下发射;（d） BCCB以35 m/s撞击速度。
图5 BCC和BCCB点阵结构的机械性能比较，包括实验和模拟：(a) BCC和BCCB结构变形行为；(b) 名义应力-应变曲线；(c) 平台应力、弹性模量和能量吸收
图6 不同冲击速度下名义应力-应变曲线和BCCB结构在15 m/s冲击下的变形演化
图7 BCC和BCCB结构在冲击下的多稳态变形模式
图8 BCC和BCCB结构各向异性行为分析
图9 BCCB结构在准静态压缩下弹性行为受力分析
图10 BCC和BCCB结构在准静态压缩下屈服行为分析
结论
本研究阐明了一种新型仿生点阵结构（BCCB）的增强机械性能，该结构将蝴蝶翅膀形态与可控各向异性整合。研究结果表明，BCCB结构在比强度和能量吸收能力上显著优于BCC结构。这一改进归因于变形模式的独特转变。具体来说，是一种多稳态机制，结合了最初以弯曲为主导的行为，随后以拉伸为主导的行为。这种变形机制有效减轻了局部应力集中，避免了过早失效的现象。在BCC结构中，受拉伸主导的变形形成I形剪切带，应力集中于单一路径，导致局部失效和能量吸收有限。相比之下，BCCB结构从弯曲主导转变为拉伸主导变形，形成X形剪切带，将应力分布在两条交叉路径上。这不仅防止了塌缩，还通过参与更多晶胞单元来增强能量吸收。此外，结构各向异性对于性能最大化至关重要。通过设计晶格结构使弹性模量与载荷方向对齐，冲击阻力显著增强。为了准确预测这些复杂行为，本文结合单位载荷法和虚功原理开发的分析模型成功预测了物理参数，并与实验和数值结果高度吻合。
总体而言，这项工作提供了一套通用且经过验证的方法论，用于轻量化防护结构的设计。虽然当前方法有效描述了宏观机械行为，但未来的研究应整合多尺度建模和机器学习，以进一步优化微观尺度均质化和结构设计。
该工作受到了广东省基础与应用基础研究重大项目（2021B0301030001）、国家重点研究计划（2021YFB3802300）、国家自然科学基金面上项目（51932006）、国家自然科学基金（52401163）和日本东北大学CRC-MS中心支持。
DOI：https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2026.111298
团队介绍
团队的研究方向为复合材料的梯度化策略，重点关注基于梯度化策略的动态可控加载技术以及材料动态物性基因数据库，团队负责人为武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室常务副主任沈强研究员与材料学院院长罗国强教授。团队常年招收先进复合材料、材料计算与材料基因工程等方向的博士和博士后，团队承诺提供具有竞争力的薪资和平台，欢迎有意者咨询。
