供稿人:李涤尘、吴玲玲、王凯翔 供稿单位:西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2026-01-10
拉胀超材料具有许多理想的机械性能，例如抗压痕性、抗剪切性、抗断裂性和能量吸收能力。因此，拉胀超材料在医疗、航空航天、土木工程等领域具有广泛的应用前景。其中，管状拉胀超材料（NAT）由于其独特的几何设计和稳定的变形能力而被广泛应用于汽车防撞梁、血管支架等各个领域。然而，虽然已有关于拉胀超材料管的部分研究，包括二维和三维的金属材料，但拉胀穿孔超材料管与可重入蜂窝等结构相比存在更大的缺陷。由于其旋转刚性区域的质量较大，通常具有较低的比吸能。
为了在不牺牲NPR效应的情况下提高NAT结构的SEA。，在这项工作中，设计和制造了轻质多孔NPR管状超材料。原始拉胀晶胞（OAUC）和改进的拉胀晶胞（MAUC）如图1（a）和图1（b）所示。原始拉胀管（OAT）和新型拉胀管（NAT）可通过阵列和圆柱坐标变换获得，如图1（c）和图1（d）所示。建模完成后，采用SLM激光粉末烧结技术 3D 打印管状结构式样。
图1 管状结构的优化设计
在这项工作中，首先对结构的机械性能进行了分析。由图2可知，NAT 的名义应力-名义应变曲线和泊松比-名义应变曲线与 OAT 基本相同，而 SEA 有很大的改进。这个结果对于工程应用非常有吸引力。
图2 有限元与试验机械性能的比较：（a） 标称应力-标称应变曲线;（b） 泊松比曲线;（c） SEA 标称应变曲线
其次分析了结构的变形模态。从图3中可以看出OAT和NAT的变形基本相同，表明优化后的结构与优化前的力学性能基本相同，两者都具有明显的增效作用。但是，材料已大大节省。此外，实验结果与有限元变形模式吻合较好。验证了有限元模型的有效性。
图3 EXP和FEM的变形模态比较：（a）OAT 的变形模态;（b）NAT 的变形模态
最后比较了轻量化后的2D拉胀板结构与3D拉胀管之间的机械性能。其中，轻质2D薄板和 3D拉胀管如图4所示。3D管是2D板材通过坐标变换的方法得到的，两者的质量基本相同。
图4 轻量化超材料：（a）二维薄板拉胀超材料;（b）3D 管状拉胀超材料
图5和图6给出了3D管状超材料和2D板超材料之间的机械性能比较。可以清楚地发现，2D板超材料在应变为0.2时整体存在横向屈曲不稳定性，载荷下降到接近0，而3D管状超材料由于圆周约束仍然具有良好的稳定性。因此，当薄板结构相对较薄时，使用坐标变换可以大大改善面外不稳定性。
图5 3D管状超材料和2D板超材料之间的机械性能比较
图6 3D管状超材料和2D板式超材料在0.2应变下的变形行为比较