学术前沿 | 基于过阻尼效应的多功能超材料：设计、研究、优化

本研究总结了具有抗冲击和减振特性的超材料结构的多功能集成设计方法，如图21所示。首先，基于应用环境的输入，确定超材料的性能指标。然后，根据性能指标选择单元结构和晶格形式，通过刚度分析和过阻尼效应设计确定单元结构的尺寸，并通过带隙分析设计晶格结构的尺寸；接下来，通过理论分析、数值计算和实验验证确定超材料结构是否满足性能要求；然后，针对性能指标不达标的部分优化单元结构和晶格结构；最后，通过有限元仿真和实验验证优化后的超材料结构，以验证和讨论其准确性。

因此，为了满足工程领域对轻质、高强度、高能量吸收和减振性能的多功能超材料的需求，本研究设计了一种集成的抗冲击和减振多功能超材料。通过对单元结构中弯曲梁的尺寸进行设计，获得了一种易于发生旋转屈曲的超弹性材料结构，能够有效地将冲击能量限制在结构的旋转变形上。设计中引入了过阻尼效应，并通过调节结构的应变改变单元结构的第一阶特征频率，显著提高了单元结构的冲击能量衰减特性。同时，引入了仿生超材料设计理念，通过分形方式构建具有局部共振带隙的晶格结构。采用改进的IHB方法对晶格结构的带隙特性进行了理论分析，并通过参数调整有效调控了带隙特性。通过数值方法和有限元方法进一步分析了单元结构和晶格结构的抗冲击性能和滤波性能。此外，在多阶段能量吸收结构的设计策略中，进一步提高了结构的能量耗散特性，在低厚度（单层阵列结构）条件下实现了大能量吸收效果。通过实验验证，得出的主要结论如下：

1.基于梁结构的屈曲特性，设计了易发生旋转屈曲并具有过阻尼效应的多边形单元结构，该单元结构具有优异的冲击能量衰减效果；