多向折叠型机械超材料的力学特性理论和实验研究

Multi-directionally foldable mechanical metamaterials are a type of man-made material, consisting of periodic or quasi-periodic folding units. Their mechanical property is governed by the geometry of the folding units and their assembling mode, instead of the constituent solid material. In recent years, photonic and phononic metamaterials have attracted increasing attention due to their unusual wave propagation property. Very recently, mechanical metamaterials are found to have superior mechanical property, in addition to their low cost manufacturing, easy to assemble varying configurations, and most importantly tunable property. In this project, the mechanical property and its tunability of the multi-direction foldable mechanical metamaterials are explored. The objectives are to develop a multi-degree of freedom theory for the folding process of the metamaterials, uncover the relationship between the macroscopic mechanical property and various assembles of the folding units, and coupling effects of defects and bi-stability of the materials to achieve tunable properties.

多向折叠型机械超材料是具有规则微结构的人工材料，与传统材料不同的是，其宏观特性主要取决于微结构的几何特点，而不是基体材料的属性。电磁和声学超材料就因负折射等非常规波动特性而受到人们的广泛关注，机械超材料不仅有独特的波动行为，还有优异的准静态力学性能。不仅如此，多向折叠型机械超材料还有制备相对简单，基本折叠单元种类多、单元间可组装性强等特点，兼有材料的选择性和微结构的几何构形设计性，因而具有更广阔的设计空间。更重要的是，多向折叠型机械超材料的双（多）稳态特性，使得宏观力学性能的调控成为可能，也是它们的尤其引人注目的原因。本项目主要研究多向折叠型机械超材料的力学行为，目标是建立可表征柔性折叠的几何和运动学特性的多自由度理论，揭示基本折叠单元面内组合和面外堆砌方式对其宏观力学性能的影响规律。在此基础上，建立缺陷与双稳态耦合实现其宏观力学性能调控的基本理论和方法，为折叠型机械超材料的应用奠定基础。

折叠结构由于具有丰富的单元构型、大变形和多稳态等力学性质，被广泛应用于力学超材料的设计之中。本项目针对多向折叠型力学超材料的几何和运动学特性、宏观性能表征和调控，以及能量吸收结构设计进行了研究。在几何和运动学理论方面，建立了带折痕壳体的柔性折叠模型，提出了分析折叠变形的虚拟折痕法，可有效分析大变形和双稳态等复杂行为；提出了一种基于矢量的折纸管设计方法，可以设计出具有任意空间结构且刚性折叠的折纸管。在宏观性能表征和调控方面，建立了刚性折痕本构行为的实验方法，可同时适用于线性和非线性折痕的等效本构模型研究；提出了多步变形力学超材料的概念，设计出了温度诱导的可恢复变形和变形路径分岔的力学超材料；基于强耦合多稳态力学超材料，实现了以静态拓扑孤子形式出现的规则可控、缺陷不敏感的局域变形，突破了局域变形缺陷敏感且不可控的传统认知；将冯诺依曼计算机的思想与力学超材料相结合，设计出了可重编程的机械计算超材料。在能量吸收结构设计方面，提出了折叠收缩和梯度折纹的设计，可显著降低折叠收缩管和折纹管受冲击时的初始峰值力，并提高吸收能量；设计了具有折叠模式的混合薄壁管结构，提高结构的比吸能，具有比传统结构更好的防撞能力。