Page 10 - 机械工程材料2024年第十一期
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姜丽云，等：工程领域负刚度超材料的研究进展


              1 负刚度超材料的设计要点                                     类似于碟形弹簧。
                                                                     目前，有关负刚度单胞结构的设计主要围绕前
              1.1 单胞的结构形式和几何参数
                                                                述梁、壳结构展开，通过变截面设计、引入填充物、
                  负刚度超材料的性能受单胞结构形式和几何参
                                                                增加结构空间内支撑和改变结构的高跨比与宽厚比
              数的影响，单胞结构主要包括梁和壳两种结构。
                                                                等几何参数的方法来提高单胞的强度和刚度。但是，
                  梁式结构最为简单，通过设计斜梁和曲梁结构
                                                                目前的设计仍存在结构形式单一和以平面结构居多
              的屈曲失稳过程来实现负刚度和多稳态的研究较
              多。FOSSAT等      ［6］ 通过推导梁的分析模型预测了预                 的问题，并且功能主要围绕在减震降噪和抗冲击方
                                                                面。负刚度单胞结构还可以融合以下方法进行设计
              应力欧拉梁的负刚度行为。谭小俊                ［7］ 系统地比较了
                                                                和优化：引入形状记忆合金、压电材料来驱动负刚度
              不同几何参数下斜梁、曲梁及拱梁单元的双稳态特
                                                                超材料的变形；设计多孔结构，在实现轻量化的同时
              性，确定了3种梁的屈曲状态和非屈曲状态的参数
                                                                为填料、弹簧等元素的加入提供空间；重要结构使用
              边界，研究结果表明斜梁和曲梁单元都具备双稳态
                                                                对温度敏感的材料，根据环境温度调节结构性能；参
              特性，而拱梁单元主要表现为单稳态。CHEN等                      ［8］
                                                                考自然界中生物体的结构特征，如骨骼、贝壳等实现
              基于曲梁设计出了具有高能量耗散和低频振动抑制
              功能的负刚度超材料。王竞哲等               ［9］ 设计的基于弹性          特定功能；通过多胞协同设计，将多个单胞结构进行
                                                                组合形成具有强承载能力、优异缓冲吸能性能的结
              梁的圆锥形负刚度超材料在多稳态模式下的吸能和
              可重用性能都优于单稳态模式。PAN等                   ［10］ 和潘怡     构。此外，负刚度单胞结构还可与齿轮、弹簧、楔形
              等 ［11］ 设计了一种由斜梁填充的增强圆柱形负刚度超                       块等进行融合设计，可采用平滑过渡、渐变截面、预
                                                                应力设计和增加纤维铺层等方法来减少应力集中。
              材料，以改进非火工航天分离器的缓冲层，结果显示
                                                                     选择单胞之间的连接方式时需要考虑结构力学
              斜梁的高厚比值越大，负刚度和双稳态性能越明显。
                                                                性能的传递性、稳定性和与材料的匹配性等因素，常
                  在梁式结构的基础上，研究人员进行了改进
              设计以改善负刚度超材料的性能。TAN等                      ［12］ 通   用连接方式包括直接连接、柔性连接、铰接、模块化
              过引入一对预压缩弹性曲梁，在施加侧向约束                              连接和复合连接等，还可采用增材制造技术实现一体
              和稳态转换的过程中都可以实现对波的调节。                              化打印成型。单胞直接连接方式包括焊接、螺接、粘
              MEHREGANIAN等      ［2］ 研究了基于双曲梁的负刚度                接等，适用于主要承受载荷的负刚度超材料；柔性连
              蜂窝材料的力学行为。TAN等              ［13］ 通过引入填料来          接是指通过弹簧、橡胶等柔性元件进行连接，这种方
              调节负刚度单胞的力学行为，提高能量耗散能力，而                           式允许单胞之间有一定的相对运动，能够吸收和分散
              不仅仅是利用填料的黏弹性直接耗散能量。谭小俊                      ［7］   冲击能量，提高结构的缓冲吸能性能；铰接方式可以
              研究发现，变截面设计可以提高梁式结构的能量捕                            在保持单胞间相对位置的同时实现一定的自由度调
              获性能，且其性能的变化与材料种类无关，验证了负                           整，适用于可变形结构、机械臂等需要特定运动形式
              刚度超材料的力学性能主要取决于结构设计这一结                            的结构；模块化连接将多个单胞设计成独立的模块，
              论。CHEN等     ［14］ 研究了由余弦梁组成的三层锥形                   通过预留接口进行连接，便于模块的替换、维修和升
              结构的稳态转换，引入了偏置距离来定制结构功能。                           级，适用于可重构机器人、模块化建筑等；复合连接
              此外，还可以通过仿生设计            ［15］ 、拓扑优化  ［16-17］ 、引入   是指多种连接方式的复合使用，根据具体需求设计
              智能材料和结构       ［18-19］ 等来进行改进设计。                   复合连接结构，可以充分发挥各种连接方式的优点。
                  壳结构通常具有特定的曲率或形状，通过形状                          1.2 单胞的排列方式和数量
              设计来实现负刚度研究。JIA等             ［20］ 基于薄球壳结构               单胞的排列方式和数量是设计和优化负刚度超
              提出了一种三负机械超材料，当施加应力达到临界                            材料性能的重要参数。“Twinkling”机制              ［22］ 是负刚
              值时，该超材料会同时表现出负刚度、负泊松比和负                           度超材料常用的能量吸收策略之一，该策略下材料
              体积模量性能，并且这种材料在应变软化时仍能防                            的能量耗散率依赖于材料结构中串联单胞的数量。
              止局部变形带的形成。曲面壳也具有负刚度和多稳                            确定单胞的排列方式和数量时需要考虑整个材料结
              态行为，已有研究集中在多稳态方面。与基于简单                            构的功能性、稳定性和可靠性。WU等                  ［23］ 提出了一
              梁或壳结构的超材料相比，ZHANG等                 ［21］ 提出的锥      种可调谐超材料，通过同向堆叠、镜像堆叠和同向
              形壳负刚度超材料具有更高的刚度和强度，其形状                            梯度堆叠排列梁单元的行和列实现了周期性梯度结
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