多稳态折纸机械超材料的非线性动力学

This project is positioned as fundamental applied research. Aiming at the multi-stable origami mechanical metamaterials, this project would study the following three scientific problems: (1) the design and fundamental mechanical properties of multi-stable origami mechanical metamaterials; (2) dynamic modeling and mechanism analysis on the nonlinear dynamics of multi-stable origami unit cells; (3) nonlinear dynamical responses and their propagation in multi-stable origami mechanical metamaterials. The objectives of this project are to understand in depth the mechanisms of the characteristic nonlinear dynamical phenomena triggered by multi-stability in origami mechanical metamaterials; to develop a research framework that includes dynamic modeling, dynamic analyses, and dynamic tests, based on the multi-stable nonlinear dynamics; to achieve programmability and controllability on the static and dynamic properties of origami mechanical metamaterials via switching the stable configurations of the constituent origami unit cell, based on the modularization concept; to verify the effectiveness of the proposed modeling and analysis methods as well as the correctness of the prediction on dynamic responses via prototyping and dynamic testing. This research is of fundamental significance for integrated “geometry-statics-dynamics” design, analysis, and property tuning of origami mechanical metamaterials; it would also further expand the research scopes of origami structures, enrich the research objects of nonlinear dynamics, and meanwhile, promote the research on the dynamics of mechanical metamaterials.

本项目定位于应用基础性研究，针对多稳态折纸机械超材料，通过对（1）多稳态折纸机械超材料的设计与基础静力学特性表征，（2）多稳态折纸单胞结构的动力学建模、求解和非线性动力学机制，（3）多稳态折纸机械超材料的非线性动力学响应及传播这三个科学问题的研究，深入认识折纸机械超材料中由多稳态诱发的典型非线性动力学行为机制，建立以高维多稳态非线性动力学为基础，包含动力学建模、分析和实验的完整研究框架；基于模块化思想，通过折纸单胞结构的稳定构型切换实现超材料整体静、动力学特性的可编程性和可控性；设计并搭建多稳态折纸单胞结构和折纸机械超材料的实验原型，验证建模、分析方法的有效性和动力学响应预测的准确性。上述研究对于折纸机械超材料的“几何学-静力学-动力学”一体化设计、分析及性能调控具有基础性的指导意义，有助于进一步拓宽折纸结构的研究范围，丰富非线性动力学学科的研究对象，推动机械超材料动力学研究的发展。

基于折纸结构开发的机械超材料具有许多其它超材料所不具有的突出优点：包括无穷的设计空间、突出的大变形、丰富的变形模式、拓扑转换能力、力学特性的尺度无关性等。提升折纸机械超材料研究的关键之一就是建立跨越“几何学-运动学-静力学-动力学”的一体化研究框架，提出超材料静、动力学性能表征、调控、优化的有效方法。..本项目通过理论建模、数值仿真和实验测试，设计了具有突出变构型能力的多稳态折纸超材料，深入认识了由多稳态诱发的准静态行为和动力学行为机制；建立了多稳态折纸超材料的准静态和动力学模型，为复杂切换行为的分析、预测和调控奠定了基础；提出了基于磁铁力调控折纸结构单胞本构关系和动力学特性的新方法，以及基于模块化思想的超材料整体静、动力学特性的可编程调控方法；设计并搭建了多稳态折纸单胞结构和折纸机械超材料的实验原型，验证了建模、分析方法的有效性和动力学响应预测的准确性；基于折纸结构的变构型、准静态切换和动力学切换特性，在声学器件、仿生机器人、机械逻辑计算等方面实现了创新应用。..本项目将最终架通了“折痕几何设计-静力学性能表征-动力学建模-动力学响应求解-动力学测试”的全链条研究流程，为多稳态折纸机械超材料投入实际工程应用奠定基础。同时，本项目的研究成果也有助于进一步拓宽折纸结构的研究范围，丰富传统非线性动力学学科的研究对象，推动机械超材料动力学研究的发展。