Kagome点阵夹芯板的抗冲击性能研究

　　点阵夹芯结构是哈佛大学的 Evans 教授、剑桥大学的 Ashby 教授、MIT 的 Gibson 教授等人近年来提出的一种新型结构，也称为“类桁架结构”。它是通过模拟分子点阵构型而设计出来的含静定/静不定多孔有序微结构的仿生结构，类似于现有的 空间网架，只是在尺寸上要小的多。这类结构中“truss”的长度一般在 10mm~100mm[1]。该结构具有超轻、比刚度高、比强度大、可控的优化设计能力以及隔热、降噪、吸能、制动等多功能性。

　　目前，一些研究者提出了点阵材料的多种拓扑结构，主要包括四面体、金字塔型、Kagome、八面体和 lattice block 构架等几种[2]，其制备方法主要有基于金属纤维编织工艺基础之上的网系叠层点焊方案[3]、熔模铸造方案[4,5]和轧制-电镀焊接方案[2]，原材料 多为铝、钢等。在理论研究和实验方面，Wallach 等[6]采用试验和有限元方法来表征金字塔型点阵夹芯板的强度和刚度。Wicks[7]，Chiras 等[8]分别对八面体和四面体点阵夹芯板进行了优化设计。Wang[9]，Hyun 等[10]采用试验和有限元方法研究了 Kagome 点阵夹芯板的力学性能。Deshpande等[4,5]对芯子为八面体点阵结构，面板分别是平面三角形桁架和实体板的夹芯结构进行了三点弯曲试验，研究了 其力学性能。

　　在点阵夹芯结构的动态力学性能研究方面，Xue 和 Hutchinson[11,12]对周边固支的实体圆板、四面体点阵夹芯圆板、金字塔型、方形蜂窝、波纹型的无限长矩形夹芯板在理想爆炸载荷作用下的响 应做了比较研究。文献[13]对方形蜂窝夹芯板承受爆炸载荷作用时，以结构重量的最小化为目标进行了优化设计。Fleck 等[14]对周边固支的点阵夹芯梁建立了理论分析模型，推导出理想爆炸载荷作用下的动态响应公式。Qiu 等[15,16]采用 ABAQUS 软件模拟周边固支的点阵夹芯圆板和矩形截面夹芯梁的动态响应，验证了先前理论公式的实用性。目前对点阵夹芯结构动态力学性能的研究集中在理论和数值模拟阶 段，实验工作尚未见报道。在数值模拟方面，对于圆形夹芯板，采用二维轴对称单元;对于矩形夹芯梁，采用二维平面应变单元，避免使用复杂的三维单元，这显然 使模型的适用范围大大缩小。

　　3D-Kagome 点阵夹芯板相对于四面体型、金字塔型点阵夹芯板具有更高的强度和抗屈曲性能，在受剪切作用时，表现出更好的各向同性性能[9,10]。对于这一新型的点阵 夹芯结构，其动态力学性能研究尚未见报道。本文建立了 Kagome 点阵夹芯板在理想冲击载荷下的计算模型，采用三维实体建模模拟该结构的响应，探讨了其能量吸收和耗散特性，为该结构的抗冲击设计提供最优化方案。