摘要：在轻质多孔管的设计中，平衡结构承载能力和韧性一直是一个长期挑战。为了应对这一挑战，该研究提出了受两种复杂晶格启发的复合多孔管。这些复合多孔管由内部聚乳酸（polylactic acid；PLA）多孔管和外部铝管组成。在准静态轴向压缩下评估了这些多孔管的能量吸收

摘要：在轻质多孔管的设计中，平衡结构承载能力和韧性一直是一个长期挑战。为了应对这一挑战，该研究提出了受两种复杂晶格启发的复合多孔管。这些复合多孔管由内部聚乳酸（polylactic acid；PLA）多孔管和外部铝管组成。在准静态轴向压缩下评估了这些多孔管的能量吸收能力。结果表明，将PLA管集成到铝管中显著提高了它们的能量吸收性能，有效地解决了PLA断裂伸长率低的局限性。铝管和PLA管之间的协同作用减轻了断裂失稳，并将载荷分布得更均匀，从而使比能量吸收（specific energy absorption；SEA）和平均压缩力（mean crushing force；MCF）分别提高了103.32%和184.38%。在这些复合管中，全局自相似布局可以显著提高其能量吸收性能。然而，与室温相比，其在323K时的机械性能显著下降。相比之下，局部自相似复合多孔管的平均压缩力衰减相对较小，这归因于其较弱的协同作用。这项研究提供了一种增强PLA管机械性能的新方法，为它们在需要轻质和高强度结构的工程领域的应用铺平了道路。

一、引言

轻质化设计和能量吸收能力是汽车和航空航天结构冲击防护中的关键因素。多胞管及其填充结构在能量吸收方面表现出色，其拓扑结构设计对能量吸收性能至关重要。研究人员通过改变多胞管的截面拓扑结构，如梯度壁厚设计、自相似和分层设计以及优化截面形状等，来提高其机械性能。此外，填充结构，如铝泡沫和聚氨酯泡沫，也被用于提高能量吸收性能。然而，填充结构存在着一些难以调和的冲突，例如铝泡沫的能量吸收效率高，但其致密化应变小；聚氨酯泡沫的强度低，限制了能量吸收效率的提升。

近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由南京大学和南京理工大学研究团队完成的有关3D打印复杂晶格结构多胞管轴向压缩性能提升的研究成果。该研究通过结合 3D 打印 PLA 材料和铝管，设计并制造了两种复杂的复合多胞管，有效提升了其机械性能，使其在轻量化和高强度的结构工程应用中更具潜力。论文标题为“Breaking mechanical performance trade-off in 3D-printed complex lattice-inspired multi-cell tubes under axial compression”。

二、研究内容概述

该研究提出了两种基于 3D 打印聚乳酸 (PLA) 的复杂晶格结构多胞管及其复合材料结构，以解决 PLA 材料断裂伸长率低的问题。研究通过准静态压缩实验评估了这些多胞管的能量吸收能力，并考虑了截面拓扑结构和温度的影响。

图 1. 复合多胞管示意图。

图 2. 不同类型的复合多胞管。

为了克服 PLA 材料断裂伸长率低的问题并提升其能量吸收性能，研究人员设计并制造了两种复合多细胞管，分别采用全局自相似和局部自相似结构，并将其填充到铝管中。通过准静态压缩实验，测试了其在室温 (298K) 和中温 (323K) 下的力学性能，包括峰值压缩力 (PCF)、比能量吸收 (SEA)、平均压缩力 (MCF)、压缩力效率 (CFE) 和总能量吸收 (EA) 等指标。此外，还利用有限元软件模拟了多孔管的变形机制和能量吸收过程，进一步分析其力学行为，并与实验结果进行对比验证，深入理解其力学性能。

图 3. (a) 准静态压缩测试 (293K) ;(b) 准静态中温压缩测试 (323K) ;(c) 一些多胞管的变形模式。

图 4. 复杂晶格结构多胞管示意图。

研究结果表明，通过复杂晶格设计和复合结构设计可以有效提高PLA多孔管的能量吸收性能。其中，全局自相似晶格设计能够显著提升常温下的比能量吸收，而局部自相似晶格设计在高温下表现出较好的性能稳定性。复合结构设计有效弥补了PLA韧性不足的问题，铝管的加入显著提高了多孔管的平均压缩力和能量吸收效率，并抑制了局部断裂现象。然而，温度会对多孔管的机械性能造成负面影响，高温下多孔管的力学性能会显著下降，但局部自相似晶格设计在高温下表现出相对较好的性能稳定性。

图 5. 复杂晶格结构复合多胞管的力-位移曲线。

图 6. 本文提出的复合多胞管的 SEA 与文献中报道的结构进行比较。

三、小结

研究开发了一种新型复合多孔管，由PLA材料打印的复杂晶格结构填充在铝管中。这种设计有效地解决了PLA材料断裂伸长率低的局限性，通过复杂晶格结构和铝管的协同作用，显著提升了多孔管的强度和能量吸收能力。该研究成果为高性能轻质结构的设计和应用提供了重要的理论和实践基础，有望在航空航天、汽车等领域发挥重要作用。

原始文献：

He, Y., He, Y., Sun, J., Li, X., Lu, M.-H., & Chen, Y.-F. (2024). Breaking mechanical performance trade-off in 3D-printed complex lattice-inspired multi-cell tubes under axial compression. Composites Science and Technology, 258, 110920.

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责任编辑：复小可

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来源：轶伊说科学