可编程超材料:面向隔振与屈曲控制的 3D 打印可编程力学超材料

第一作者单位：文章链接：

https://doi.org/10.3390/su14116831

谐振前低频区间的隔振性能，是传统弹簧材料难以实现的一项关键特性。针对这一技术痛点，本文提出一种新型零泊松比梯度圆柱超材料，其核心设计目标包含两点：一是实现谐振前低频段的高效隔振性能，二是达成细长圆柱壳的全局屈曲控制。为实现上述目标，研究团队研发出刚度呈差异化分布的 “柔性 - 刚性” 复合凹入式单胞结构。基于该单胞构型，采用惠普多射流熔融 3D 打印技术，成功制备出圆柱超材料试样。有限元分析（FEA）与实验测试结果表明，在压缩载荷作用下，多刚度单胞的协同作用使圆柱超材料的力 - 位移曲线中出现准零刚度（QZS）区域，这一特性赋予材料优异的低频隔振能力，使其在 10–30 Hz 的频率区间内表现出显著的隔振效果，有效填补了传统隔振材料在低频段的性能空白。此外，这种多刚度凹入式单胞结构还具备调控细长圆柱壳全局屈曲的功能，可适用于长径比为 3.7 的圆柱壳结构。多刚度单胞的协同存在，为设计人员提供了一项核心调控手段 —— 能够对圆柱壳结构的整体变形模式与单胞致密化进程进行精准调控。具体而言，通过柔性单胞的优先变形与刚性单胞的支撑限位，可引导圆柱壳的变形沿预设路径有序开展，避免局部过度屈曲引发的结构失效，同时借助单胞致密化过程的分步进行，进一步优化结构的能量耗散与承载稳定性。该研究成果不仅为低频隔振材料的设计提供了全新思路，还为细长圆柱壳的屈曲控制提供了高效解决方案，有望推动超材料在航空航天、精密仪器减振、轨道交通降噪等领域的工程化应用。

本研究提出一种新型 3D 打印梯度圆柱超材料，其核心设计目标包含两项关键内容：一是实现振动谐振前低频区间的外激励隔振，二是达成压缩载荷作用下细长圆柱壳的全局屈曲控制。本研究的核心结论总结如下：

研发出刚度呈差异化分布的 **“柔性 - 刚性” 复合凹入式单胞结构 **，通过单胞构型的创新设计实现力学性能的梯度调控。将单胞的构型差异与胞壁厚度变化作为核心梯度设计变量，通过这两类参数的协同优化，构建出力学性能呈梯度分布的圆柱超材料结构体系。单胞刚度的差异化特性源于其专属构型设计，这一结论已通过有限元仿真分析得到验证，并结合实验测试数据完成了有效性校核，为后续结构优化提供了可靠的理论依据。

单胞刚度的差异化特性，可实现压缩载荷作用下圆柱超材料单胞致密化进程的精准调控。具体而言，通过对单胞进行特定排布设计，可引导圆柱超材料的变形沿预设路径有序开展，进而实现对长径比为 3.7 的细长圆柱壳全局屈曲行为的有效控制，避免结构因突发屈曲引发的失效破坏。“柔性 - 刚性” 复合单胞之间显著的刚度差异，使材料在压缩载荷作用下的力 - 位移曲线中出现准零刚度（QZS）区域。这一独特的力学特性，使该梯度圆柱超材料的隔振性能全面优于传统隔振装置，突破了传统材料的性能局限。与传统弹簧材料不同，该梯度圆柱超材料可在 10–30 Hz 的低频区间内实现选择性外激励隔振，这一性能优势已通过振动实验测试得到验证。值得注意的是，该频率区间与越野车辆驾乘过程中人体主观舒适度密切相关，这意味着该材料在车辆减振领域具备极高的工程应用价值。

综上，该梯度圆柱超材料通过单胞构型的梯度设计，同步实现了低频高效隔振与圆柱壳屈曲控制两大功能，为高性能减振结构与抗屈曲构件的研发提供了全新思路。