導(dǎo)讀

基于曲梁和斜梁設(shè)計(jì)的建構(gòu)化材料因其簡單的幾何設(shè)計(jì)和特殊的力學(xué)性能，在許多領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。更重要的是，許多學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，基于曲梁的建構(gòu)化材料具有作為吸能耗能構(gòu)件的可行性。在從一種穩(wěn)定狀態(tài)到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中，能量耗散通過曲梁單元的跳躍屈曲存儲和釋放彈性應(yīng)變能來實(shí)現(xiàn)，材料變形完全可恢復(fù)，基本組成材料在彈性范圍內(nèi)，因此可重復(fù)使用多次耗散能量。但是，這種幾何設(shè)計(jì)需要單元具有較小的厚度和較大的屈服應(yīng)變以確保材料在彈性范圍內(nèi)，導(dǎo)致基于彈性不穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的建構(gòu)化材料通常表現(xiàn)出較低的強(qiáng)度和剛度。本期為大家介紹課題組姚顯花等同學(xué)于近期發(fā)表在Material & Design上題為Tailoring plastic deformation of metallic architected materials toward multi-stage energy dissipations的文章，https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111262。

為了提高其能量耗散能力，本文利用基于曲梁的金屬建構(gòu)化材料(Metallic Architected Materials using Curved Beams, MAM-CB)的塑性，探索考慮塑性變形MAM-CB的耗能能力和可編程性，以及在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中作為阻尼構(gòu)件的應(yīng)用潛力。研究內(nèi)容主要如下：

01

通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬評估了考慮塑性變形的 MAM-CB 單元的力學(xué)行為。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果中MAM-CB單元在加載-卸載過程中的最大應(yīng)變(LE)，將MAM-CB的應(yīng)變分為四個區(qū)域：彈性(0＜ε?≤?εy)，輕度塑性(εy＜ε?≤?εp)，重度塑性(εy＜?ε?≤?εp)以及斷裂(ε?≥?εu)?？梢钥闯?，大部分MAM-CB單元在變形的過程中進(jìn)入了塑性。此時，由于鋼材的屈服，增加了塑性耗能機(jī)制，從而使MAM-CB達(dá)到更高的強(qiáng)度和能量耗散。

02

研究了引入層級化設(shè)計(jì)的MAM-CB 的力學(xué)性能，評估了層級化設(shè)計(jì)對MAM-CB耗能能力和疲勞壽命的影響。通過改變MAM-CB單元的幾何參數(shù)，引入MAM-CB陣列結(jié)構(gòu)的層級化設(shè)計(jì)(Gradient design)，以實(shí)現(xiàn)MAM-CB可控的變形序列和增強(qiáng)能量耗散性能。對比兩者的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)非層級化陣列結(jié)構(gòu)的耗能能力比層級化結(jié)構(gòu)的退化慢，因?yàn)榉菍蛹壔嚵薪Y(jié)構(gòu)的損傷均勻分布在每一層中，沒有明顯的應(yīng)力集中。層級化平面陣列結(jié)構(gòu)的疲勞壽命(Nc=13)比非層級化平面陣列結(jié)構(gòu)(Nc=21)低，但是在前12次循環(huán)中，層級化設(shè)計(jì)的平面陣列結(jié)構(gòu)耗散的總能量更多，表現(xiàn)出更高的累計(jì)耗能。這表明通過引入層級化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)耗能的需求誘導(dǎo)MAM-CB結(jié)構(gòu)的破壞模式，使得MAM-CB結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可循環(huán)圈數(shù)小而快速耗能，或者耗能速度慢但疲勞壽命長的可調(diào)節(jié)性。

03

提出了一種使用可定制MAM-CB單元形成的耦合結(jié)構(gòu)裝置來增強(qiáng)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)能量耗散能力的方法，旨在開發(fā)具有增強(qiáng)和可定制的能量耗散特性的新型阻尼組件。

在了解MAM-CB的非彈性力學(xué)性能后，我們將所提出的MAM-CB引入到屈曲約束支撐 (BRB) 的設(shè)計(jì)中。通過并聯(lián) MAM-CB 陣列結(jié)構(gòu)，混合系統(tǒng)克服了 BRB 在其核心材料屈服之前無法進(jìn)行能量耗散的限制。數(shù)值結(jié)果表明，易于制造的MAM-CB陣列結(jié)構(gòu)不僅可以提高BRB的韌性和耗能能力，還可以提高BRB在不同地震載荷水平下的耗能性能。

總結(jié)

最后，盡管我們在本研究中證明了基于MAM-CB的多階段耗能設(shè)計(jì)的應(yīng)用潛力，但仍需要進(jìn)一步的研究。例如，尋找先進(jìn)的制造方法來加工具有復(fù)雜幾何形狀的MAM-CB結(jié)構(gòu)；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法來優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以提升系統(tǒng)的性能；開發(fā)可靠的連接方法實(shí)現(xiàn)MAM-CB的可更換，提高其可重復(fù)使用性等。

END

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來源于多樣化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室VSL

排版 | 李嘉晨

審核 | 胡? ?楠