Page 125 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 邹 震，等： 增强内凹蜂窝夹层结构弯曲力学性能及多目标优化设计 第 3 期

plastic deformation is reduced from 29.3% to 6.6%. Compared to classical RH cored beams, the maximum load-bearing force
and energy absorption of RRH ones can be improved by 26.7% and 8.9%, respectively. A parametric analysis was conducted to
reveal that the thicknesses of front facesheet, back facesheet, and core had a significant effect on deformation behavior and
energy absorption of RRH cored sandwich beams. The thickness of front facesheets, cores, and back facesheets was employed
as optimization variables, and the mass, maximum load-bearing force, and energy absorption were used as optimization
objectives to perform the multi-objective optimization of RRH cored sandwich beams. The optimized sandwich beam exhibits
increases of 64.9% in maximum load-bearing capacity and 46.9% in energy absorption. The impact resistance of conventional
honeycomb sandwich beams under in-plane and out-of-plane loading was compared at identical wall thickness and mass,
respectively. Analysis demonstrated the superior energy-absorbing protective performance of the proposed RRH sandwich
beams. The research results can provide useful guidance for the reinforcement design of honeycomb cored sandwich beams.
Keywords: re-entrant honeycomb; sandwich beams; three point bending; reinforcement design; energy absorption

近年来，随着能量消耗、环境污染和结构安全性的冲突不断加剧，优异力学性能轻质结构的研究已
[1]
迅速成为热点 。相比于传统均质实心结构，多孔夹层结构展现轻质、高比强度/刚度、优异耐撞性等优
势，目前已被广泛用于航空航天、汽车、船舶、包装等领域 。典型夹层结构是由两个高强度面板和面板
[2]
之间轻质多孔芯层组成，这种先进设计利用面板的高强度和芯层的优异耐撞性，使夹层结构展现优异的
综合力学性能 [3-4] 。
夹层梁抗弯性能是其工程应用的重要指标之一，大量研究已经证明夹层梁抗弯性能主要取决于面
板和芯层的结构、材料等。相应地，在夹层结构力学性能和轻量化的协同强化方面，理论上可行的方法
主要包括材料替换和结构优化。其中，材料替换是指用性能更优异的材料替换现有材料以提升夹层结
构力学性能 。尽管更换材料可实现夹层结构力学性能的大幅提升，但不可避免地会提高其造价，使其
[5]
难以应用于汽车、包装等民用行业。结构优化是指对芯层的结构形式进行调整，周睿等 [6] 和黄治镡等 [7]
已经尝试将多种多孔结构作为芯层提升夹层结构力学性能。同时，为满足汽车、包装等日常冲击防护需
求，芯层结构优化需在制造性约束下展开。蜂窝结构由于优异承载性能、灵活设计性、较好制造性等优
势，已成为夹层结构重要芯层选择之一。负泊松比蜂窝作为蜂窝结构的重要分支，其在压缩/拉伸载荷下
收缩/膨胀变形，这种反直观变形赋予其优异力学性能 。研究人员尝试将负泊松比蜂窝作为夹层结构
[8]
的芯层，发现其可有效提升夹层梁的抗弯性能 。负泊松比蜂窝独特变形源于其胞元结构，其中内凹型
[9]
结构具有较好制造性，是工程领域最为期待的负泊松比蜂窝结构之一。然而，传统内凹蜂窝（re-entrant
honeycomb, RH）中空结构导致其较低承载性能，限制进一步工程应用。因此，需对 RH 进行强化设计提
升其力学性能，推动其作为夹层梁芯层的工程应用。
现有 RH 增强设计方法包括层级设计 、无序设计 、混杂设计 、梯度设计 、曲边化 、增强肋 [15]
[11]
[10]
[13]
[12]
[14]
等。层级设计通过增大 RH 压溃过程中材料利用率提高吸能，但复杂构型增大制造成本，难以满足车
辆、包装等日常需求。无序设计和混杂设计增大 RH 规模化制造难度，梯度设计和曲边化未改变 RH 中
空结构导致的低承载。引入增强肋被认为是同步提升力学性能、保留制造性的有效方法之一。Lu 等 [16]
为 RH 引入水平直肋连接其内凹节点，通过限制 RH 收缩变形增强其承载强度，但这种方法也限制内凹
胞元收缩变形、削弱负泊松比效应。因此，RH 增强设计的关键是如何改善中空结构、并保留负泊松比
效应。Zou 等 [17] 提出为 RH 胞元引入悬链线结构的强化策略，同时实现避免中空结构、改善变形模式、
保留负泊松比效应、利用悬链线高承载效率，实现耐撞性大幅提升。进一步地，提出增强 RH (reinforced
RH, RRH) 的装配式加工方法，相较于增材制造为主的复杂蜂窝结构，其具有较大低成本潜力，可满足汽
车、包装等日常场景对于优异吸能防护结构的需求 [18] 。
在 RRH 优异耐撞性启发下提出对应夹层梁以进一步提升传统 RH 夹层梁的抗弯性能。首先，采用
“冲压+粘接”方法分别制造 RH 和 RRH 夹层梁金属样件开展三点弯曲实验，分析悬链线增强方法对其
夹层梁力学行为、弯曲抗冲击性能的提升机理。随后，开展参数化研究分析前面板、后面板、芯层壁厚
对其夹层梁力学行为的影响。基于参数化研究结果，以前面板壁厚、后面板壁厚、芯层壁厚为变量开展

033103-2