Page 179 - 《爆炸与冲击》2026年第5期

第 46 卷 第 5 期 爆 炸 与 冲 击 Vol. 46, No. 5
2026 年 5 月 EXPLOSION AND SHOCK WAVES May, 2026

DOI：10.11883/bzycj-2025-0282

机器学习驱动的折纸超材料夹芯结构

低速冲击响应预测及多目标优化 *

韩思豪 ，李春雷 ，苏步云 ，敬 霖 ，韩 强 ，姚小虎 1
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（1. 华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641；
2. 太原理工大学航空航天学院，山西 太原 030024；
3. 西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室，四川 成都 610031）
摘要： 受三浦折纸和星形蜂窝的混杂拓扑设计启发，提出了一种新型折纸超材料夹芯复合结构，并融合机器学习
实现了其低速冲击响应的预测和多目标优化。通过落锤冲击实验和有限元仿真，系统探究了该结构在低速冲击下的
动态力学响应和变形失效模式。结果表明，折纸启发的拓扑结构有效地将传统蜂窝结构的瞬时完全断裂转化为了渐
进压溃失效，从而显著提升了其抗冲击性能。随后提出了残差连接增强的深度学习模型，实现了对该结构完整低速冲
击响应的快速精确端到端预测，计算效率较有限元仿真大幅提升。并基于该深度学习模型，对关键角度进行了参数分
析，揭示了其对冲击响应和等效密度的调控机理，特别是角度变化诱导的壁板拉压变形与折痕弯曲变形间的载荷重新
分布现象，使结构能在承载型与缓冲型功能间切换，提供了冲击响应与失效模式主动可调控的机理依据。最后，进一
步结合强化学习和帕累托前沿分析，以训练完备的深度学习模型作为代理模型，针对承载防护和缓冲防护需求实现了
结构的轻量化多目标优化。在等效密度相近时，折纸超材料能够实现峰值力的大范围调控，有益于针对不同防护场景
按需定制化开发的防护结构。
关键词： 折纸超材料；夹芯结构；动态力学响应；机器学习；多目标优化
中图分类号： O347.3 国标学科代码： 13015 文献标志码： A

Machine learning-driven low-velocity impact response prediction and
multi-objective optimization of origami metamaterial sandwich

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HAN Sihao , LI Chunlei , SU Buyun , JING Lin , HAN Qiang , YAO Xiaohu 1
（1. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology,
Guangzhou 510641, Guangdong, China;
2. College of Aeronautics and Astronautics, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China;
3. State Key Laboratory of Rail Transit Vehicle System, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, China）
Abstract: Inspired by the hybrid topology design that integrates Miura origami and star-shaped honeycomb, this study
proposes a novel origami metamaterial sandwich and employs machine learning to predict low-velocity impact response and
perform multi-objective optimization. Through drop-weight impact experiments and finite element simulations, the dynamic
mechanical response and deformation failure modes of the sandwich under low-velocity impact are systematically investigated.
The results demonstrate that the origami-inspired topologies effectively transform the instantaneous complete fracture of
traditional honeycombs into progressive crushing failure, thereby significantly enhancing impact resistance. Subsequently, a

* 收稿日期： 2025-08-27；修回日期： 2025-11-06
基金项目： 国家自然科学基金（12372357，12472381，12232006）；广东省基础与应用基础研究项目（2024A1515030119，
2024A1515010405）
第一作者： 韩思豪（1999－ ），男，博士研究生，ct_hansihao@mail.scut.edu.cn
通信作者： 李春雷（1990－ ），男，博士，副教授，lichunlei@scut.edu.cn

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