origami結(jié)構(gòu)吸能能力研究綜述

李眾 王帥 魏百媧

摘 要：origami結(jié)構(gòu)由單個鑲嵌重復的單元組成，其整體機械性能取決于折疊方式和幾何形狀，有著吸收能量、抗壓痕、吸聲和絕熱等優(yōu)良性能。它被廣泛的應(yīng)用在汽車、船舶、航空等領(lǐng)域。本文簡述了對origami吸能能力（EAC）的研究，并在結(jié)尾提出未來的研究方向。

關(guān)鍵詞：origami結(jié)構(gòu);EAC;高速運載工具

1、引言

在過去的幾個世紀里，人們通過折紙（origami）和剪紙（kirigami）技術(shù)，將二維的紙張變成復雜的三維結(jié)構(gòu)。它們在制造復雜的三維幾何形狀時，改變了初始平坦結(jié)構(gòu)的固有曲率，同時限制材料變形以不干擾表面特征。因此基于origami結(jié)構(gòu)開發(fā)出的新型智能材料、超材料和智能結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)中。

2、origami的超高吸能能力（HEAC）研究

飛機、高鐵等高速運載工具的出現(xiàn)，在給我們帶來便利的同時，也可能為給我們造成不可彌補的損失。因此，怎樣減輕高速運載工具在發(fā)生意外時造成的傷害，成為當今研究的重要方向。在意外發(fā)生時，往往伴隨著巨大能量的產(chǎn)生，如何有效地吸收這些能量是我們所面對的難題。origami結(jié)構(gòu)的HEAC提供了解決的可能。

國內(nèi)外學者在HEAC的材料和結(jié)構(gòu)研制過程中，通過合成材料、開發(fā)新型結(jié)構(gòu)、改變結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)（即其幾何形狀）、改進夾芯結(jié)構(gòu)等方式，獲得了具有HEAC的材料或結(jié)構(gòu)。

Li T[1]等人在2018年通過實驗和有限元分析，研究了重入蜂窩增強復合材料，它是一種以不可壓縮的軟材料為基體，具有生長格構(gòu)結(jié)構(gòu)的高性能復合材料。發(fā)現(xiàn)重入蜂窩增強復合材料的楊氏模量是手性桁架和普通蜂窩增強復合材料的四倍，是桁架增強復合材料的五倍。重入蜂窩增強復合材料在25%的應(yīng)變下的能量吸收是其他三種復合材料的三倍。因此，與非增生性晶格增強復合材料相比，增生性晶格增強復合材料具有較好的能量吸收的性能。

與Li T團隊不同的是，Jiayao Ma[2]等人在2018年制造并研究了一種新型結(jié)構(gòu)——基于Miura-ori折疊模式的origami結(jié)構(gòu)。在文獻[2]中，Jiayao Ma提出了4種具有代表性的模型。通過變層疊加順序，成功地創(chuàng)建了兩級、三級和四級分級剛度。四級分級剛度模型42-54-50-46的比吸收能（SEA）最大，為1.92 j？g^（-1），高出基線42-46-50-54的13.61%，高出均勻結(jié)構(gòu)48-48-48-48的134.15%。通過幾何參數(shù)進行調(diào)整，origami結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生高達四級的分級剛度，并且這種分級結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的能量吸收效率。

除了上述研究方法，也有學者通過改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，以此來研究其性能的變化。2017年，Xiang X M[3]等人對擬靜態(tài)平面外壓縮的arc-Miura模型進行了參數(shù)化研究。對所制arc-Miura試樣進行準靜態(tài)平面外壓縮試驗。采用自由端和固定端兩種邊界條件，得到了的相關(guān)結(jié)果并且通過數(shù)值仿真進行驗證結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，除a1=35.1 mm外，在不同a_1下的自由端arc-Miura模型，SEAf （自由端下的比吸收能）幾乎相同。然而，對于固定的arc-Miura模型來說，比能吸收（SEA）隨a1的增加而大大減少。在兩種邊界條件下，arc-Miura模型的SEA是它們相應(yīng)的單拱的2-4倍。

同年，Zhou Z[4]等人為了得到具有理想能量吸收性能的結(jié)構(gòu)，改進了現(xiàn)有蜂窩結(jié)構(gòu)，設(shè)計并制作了重入式蜂窩。通過平面內(nèi)壓縮實驗和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)重入蜂窩具有更好的能量吸收性能。采用重入設(shè)計，平均破碎力（MCF）甚至大于峰值力，這有利于設(shè)計產(chǎn)生內(nèi)力小但EAC大的器件。

Chang Y[5]等人在2018年，研究低速沖擊如何影響增生性經(jīng)編間隔織物的能量吸收，并準備了5個樣品進行低速沖擊、落體沖擊實驗。得到的吸能-時間的曲線。通過比較五個試樣的吸能-時間曲線，可以明顯看出，吸能-時間曲線斜率逐漸增大，說明織物對沖擊能的吸收越來越快。除此之外，還發(fā)現(xiàn)纖維的吸能、抗沖擊性能與纖維的增生性性能呈正相關(guān)關(guān)系，并且初始沖擊能對沖擊阻力和能量吸收速率有影響?？紤]到材料泊松比，可以預測具有較好的輔助性能的間隔織物在低速沖擊下能吸收更多的能量，在此過程中沖擊能量被吸收的速度越來越快。

3、結(jié)論

文中通過比較不同學者的研究方法，闡述了關(guān)于origami結(jié)構(gòu)HEAC的研究現(xiàn)狀。發(fā)現(xiàn)在所有的實驗中，研究結(jié)構(gòu)的力學性能偏多，且現(xiàn)存的研究層面大多在宏觀結(jié)構(gòu)，并且所使用的材料或者結(jié)構(gòu)不易得，因此不利于推廣。

基于上述幾個問題，未來我們可以：

1） 除了力學之外，還可以研究origami結(jié)構(gòu)的模態(tài)，屈曲，失穩(wěn)等;

2） 逐步將宏觀的研究推廣到微觀origami結(jié)構(gòu)性能如導電性，隔熱性，吸光性等研究層面上。

參考文獻：

[1] Li T， Chen Y， Hu X， et al. Exploiting negative Poisson's ratio to design 3D-printed composites with enhanced mechanical properties[J]. Materials and Design， 2018， 142： 247-258.

[2] Ma J， Song J， Chen Y. An origami-inspired structure with graded stiffness[J]. International Journal of Mechanical Sciences， 2018， 136：134-142.

[3] Xiang X M， Lu G， Ruan D， et al. Large deformation of an arc-Miura structure under quasi-static load[J]. Composite Structures， 2017， 182： 209-222.

[4] Zhou Z， Zhou J， Fan H. Plastic analyses of thin-walled steel honeycombs with re-entrant deformation style[J]. Materials Science and Engineering A， 2017， 688： 123-133.

[5] Chang Y， Ma P， Jiang G. Energy absorption property of warp-knitted spacer fabrics with negative Possions ratio under low velocity impact[J]. Composite Structures， 2017， 182： 471-477.