Page 183 - 《爆炸与冲击》2026年第5期

第 46 卷 韩思豪，等： 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 第 5 期

在有限元仿真中，利用 Abaqus CAE 2021 建
立冲击加载仿真环境，数值仿真结果与落锤冲击
Drop weight Electrical
实验的准确性和一致性互相验证。在有限元仿 testing machine console (b) Mesh in finite element
真设置中，夹芯复合结构被放置在 2 个离散刚性 simulation
板之间，其中下板完全约束，而上板通过速度控 Force
制施加垂直冲击载荷。为了保证与实验的一致 sensor
性，上板的直径被设置为与实验锤头一致，并在 (c) Schematic of 3D
其中心施加了与实验锤头相同的质量，以考虑冲 printed Θ 2
Θ 1
击带来的惯性效应。仿真采用显式动力学求解 Specimen
器以进行更稳定的增量计算，采用 C3D10M 实体
单元对结构进行离散化，如图 2(b) 所示。为了平 Θ 2
Light
衡仿真计算精度和计算时间，网格尺寸设置为 High-speed camera source Θ 3
1 mm。接触相互作用使用一般接触，切向摩擦 Θ 4
因数定义为 0.2，同时在法向使用“硬接触”方式。 (a) Schematic of the experiment (d) Comparison of 3D printed
specimens
实 验 试 件 的 基 体 材 料 为 尼 龙 （ Nylon-12） ，
通过多射流熔融技术 3D 打印而成，其示意图如 图 2 实验、有限元仿真及 3D 打印试件示意图
图 2(c)～(d) 所示。具体的材料性能参数可参考 Fig. 2 Schematic of the experiment, the finite element simulation,
and the 3D printed specimens
文献 [25] 中的测试结果。同时，本文还考虑了基
材的应变率效应，并通过指定不同应变率下的最大失效塑性应变，利用网格删除来实现结构的损伤失效。
1.3 低速冲击响应及失效破坏模式
图 3～4 展示了本文提出的折纸超材料夹芯复合结构和传统负泊松比内凹蜂窝、星形蜂窝在 20 J 的
冲击能量作用下的低速冲击响应结果对比。数值结果如表 2 所示，几种结构分别被简要表示为 Θ 1 、 Θ 2 、
Θ 4 。如图 F P 明显高于传统结构。通过对比图 3(a) 和
Θ 3 和 3(a) 所示，折纸超材料夹芯复合结构的峰值力
图 4 中的失效破坏模式发现，传统结构 Θ 3 和 Θ 4 在受到冲击时发生了瞬时完全断裂，导致其承载能力迅
Θ 1 在受到冲击时保持了结构完整，这表明折纸设计的
速丧失，因此表现出较低的峰值力。而折纸超材料
Θ 2 发生了破坏，但其失效模式表现为折痕
引入显著提升了夹芯复合结构的抗冲击承载能力。同时，尽管
处的渐进压溃而非整体完全断裂。这种失效机制使得结构能够持续耗散冲击载荷，有效提升了防护性
Θ 1 具有
能。载荷作用时间 t P 的对比进一步印证了折纸结构的作用及差异化防护机制。保持结构完整的
Θ 2 借助的渐进
最大的 t P ，其优势在于通过持续的承载来分散冲击能量，并通过弹性恢复将能量耗散。而
F P 。这凸显了折纸结构在冲击防护中的关键价值，即
压溃破坏缩短了作用时间 t P ，并有效降低了峰值力
可通过主动的折痕优化设计，控制结构破坏和能量耗散方式，并针对承载、缓冲等不同防护场景定制化
防护。另外，图 3(a) 中的实验结果和数值仿真结果展现出了良好的一致性，这也互相印证了所使用有限
元模拟和实验方法的可靠性。
图 3(b) 描述了几种超材料夹芯复合结构在冲击作用下的能量吸收曲线，其中 E t 为夹芯复合结构受
E a 为冲击结束后吸收的总能量。通过对比几种
到的总冲击能量、 E e 为冲击过程中暂时储存的弹性能、
Θ 1 上，但其在受到冲击后通过弹性恢复的方式
结构的能量吸收发现，20 J 的总冲击能量几乎完全作用在
将能量释放，只吸收了 10.04 J 的能量，这进一步印证了其良好的承载能力。相反， Θ 2 通过逐渐破坏的方
Θ 2 在避免结构
式高效吸收了大部分的冲击能量，这些能量值与完全破坏的 Θ 3 、 Θ 4 几乎一致。这意味着
Θ 4 在冲击能量尚未完全加载前即
完全失效的同时，保留了能量吸收性能，是理想的防护结构。而 Θ 3 和
ρ eff 的分析表明，质量参数与夹芯复合结构的抗冲击性能之
已失效，表现出脆弱的防护特征。对等效密度
间并不存在显著的直接关联。因此，在面向轻量化的抗冲击性能优化设计时，必须考量这种多个独立目
标之间的权衡关系。

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