李眾 王帥 魏百媧

摘 要：origami結(jié)構(gòu)由單個(gè)鑲嵌重復(fù)的單元組成，其整體機(jī)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(yùn)載工具

1、引言

在過去的幾個(gè)世紀(jì)里，人們通過折紙（origami）和剪紙（kirigami）技術(shù)，將二維的紙張變成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。它們在制造復(fù)雜的三維幾何形狀時(shí)，改變了初始平坦結(jié)構(gòu)的固有曲率，同時(shí)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(jī)、高鐵等高速運(yùn)載工具的出現(xiàn)，在給我們帶來便利的同時(shí)，也可能為給我們造成不可彌補(bǔ)的損失。因此，怎樣減輕高速運(yùn)載工具在發(fā)生意外時(shí)造成的傷害，成為當(dāng)今研究的重要方向。在意外發(fā)生時(shí)，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(xué)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(jìn)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(shí)驗(yàn)和有限元分析，研究了重入蜂窩增強(qiáng)復(fù)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(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)重入蜂窩增強(qiáng)復(fù)合材料的楊氏模量是手性桁架和普通蜂窩增強(qiáng)復(fù)合材料的四倍，是桁架增強(qiáng)復(fù)合材料的五倍。重入蜂窩增強(qiáng)復(fù)合材料在25%的應(yīng)變下的能量吸收是其他三種復(fù)合材料的三倍。因此，與非增生性晶格增強(qiáng)復(fù)合材料相比，增生性晶格增強(qiáng)復(fù)合材料具有較好的能量吸收的性能。

與Li T團(tuán)隊(duì)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(xiàn)[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(jìn)行調(diào)整，origami結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生高達(dá)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(xué)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(jìn)行了參數(shù)化研究。對所制arc-Miura試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)平面外壓縮試驗(yàn)。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(jìn)行驗(yàn)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(jìn)了現(xiàn)有蜂窩結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制作了重入式蜂窩。通過平面內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)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(jì)，平均破碎力（MCF）甚至大于峰值力，這有利于設(shè)計(jì)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?zèng)_擊如何影響增生性經(jīng)編間隔織物的能量吸收，并準(zhǔn)備了5個(gè)樣品進(jìn)行低速?zèng)_擊、落體沖擊實(shí)驗(yàn)。得到的吸能-時(shí)間的曲線。通過比較五個(gè)試樣的吸能-時(shí)間曲線，可以明顯看出，吸能-時(shí)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(yù)測具有較好的輔助性能的間隔織物在低速?zèng)_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(xué)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(shí)驗(yàn)中，研究結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(gè)問題，未來我們可以：

1） 除了力學(xué)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(dǎo)電性，隔熱性，吸光性等研究層面上。

參考文獻(xiàn)：

[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.

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[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.