【成果展示】面向多阶段耗能的金属建构化材料及可调控塑性变形

导读

基于曲梁和斜梁设计的建构化材料因其简单的几何设计和特殊的力学性能，在许多领域表现出巨大的应用潜力。更重要的是，许多学者通过研究发现，基于曲梁的建构化材料具有作为吸能耗能构件的可行性。在从一种稳定状态到另一种稳定状态的转变过程中，能量耗散通过曲梁单元的跳跃屈曲存储和释放弹性应变能来实现，材料变形完全可恢复，基本组成材料在弹性范围内，因此可重复使用多次耗散能量。但是，这种几何设计需要单元具有较小的厚度和较大的屈服应变以确保材料在弹性范围内，导致基于弹性不稳定性设计的建构化材料通常表现出较低的强度和刚度。本期为大家介绍课题组姚显花等同学于近期发表在Material & Design上题为Tailoring plastic deformation of metallic architected materials toward multi-stage energy dissipations的文章，https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111262。

为了提高其能量耗散能力，本文利用基于曲梁的金属建构化材料(Metallic Architected Materials using Curved Beams, MAM-CB)的塑性，探索考虑塑性变形MAM-CB的耗能能力和可编程性，以及在结构系统中作为阻尼构件的应用潜力。研究内容主要如下：

01

通过试验和数值模拟评估了考虑塑性变形的 MAM-CB 单元的力学行为。根据数值分析结果中MAM-CB单元在加载-卸载过程中的最大应变(LE)，将MAM-CB的应变分为四个区域：弹性(0＜ε ≤ εy)，轻度塑性(εy＜ε ≤ εp)，重度塑性(εy＜ ε ≤ εp)以及断裂(ε ≥ εu)。可以看出，大部分MAM-CB单元在变形的过程中进入了塑性。此时，由于钢材的屈服，增加了塑性耗能机制，从而使MAM-CB达到更高的强度和能量耗散。

02

研究了引入层级化设计的MAM-CB 的力学性能，评估了层级化设计对MAM-CB耗能能力和疲劳寿命的影响。通过改变MAM-CB单元的几何参数，引入MAM-CB阵列结构的层级化设计(Gradient design)，以实现MAM-CB可控的变形序列和增强能量耗散性能。对比两者的疲劳性能，发现非层级化阵列结构的耗能能力比层级化结构的退化慢，因为非层级化阵列结构的损伤均匀分布在每一层中，没有明显的应力集中。层级化平面阵列结构的疲劳寿命(Nc=13)比非层级化平面阵列结构(Nc=21)低，但是在前12次循环中，层级化设计的平面阵列结构耗散的总能量更多，表现出更高的累计耗能。这表明通过引入层级化设计，可以根据耗能的需求诱导MAM-CB结构的破坏模式，使得MAM-CB结构实现可循环圈数小而快速耗能，或者耗能速度慢但疲劳寿命长的可调节性。

03

提出了一种使用可定制MAM-CB单元形成的耦合结构装置来增强传统结构能量耗散能力的方法，旨在开发具有增强和可定制的能量耗散特性的新型阻尼组件。

在了解MAM-CB的非弹性力学性能后，我们将所提出的MAM-CB引入到屈曲约束支撑 (BRB) 的设计中。通过并联 MAM-CB 阵列结构，混合系统克服了 BRB 在其核心材料屈服之前无法进行能量耗散的限制。数值结果表明，易于制造的MAM-CB阵列结构不仅可以提高BRB的韧性和耗能能力，还可以提高BRB在不同地震载荷水平下的耗能性能。

总结

最后，尽管我们在本研究中证明了基于MAM-CB的多阶段耗能设计的应用潜力，但仍需要进一步的研究。例如，寻找先进的制造方法来加工具有复杂几何形状的MAM-CB结构；基于数据驱动方法来优化拓扑结构，以提升系统的性能；开发可靠的连接方法实现MAM-CB的可更换，提高其可重复使用性等。

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来源于多样化结构实验室VSL

排版 | 李嘉晨

审核 | 胡   楠