導讀

可重構材料的出現(xiàn)為不同尺度的功能型結構設計提供了新的途徑，但其后加工幾何形狀通常保持不變，無法根據特定功能進行定制，靈活性較低，并且以不可持續(xù)的方式處理原材料，同時降低材料特性使用的效率。本期為大家介紹下課題組劉盼等同學于今年發(fā)表在Advance Engineering Materials的題為Jigsaw-Inspired Modular Architected Materials with Tailorable Stiffness and Programmable Reconfiguration for Adaptive Flow Regulations的文章，這篇文章介紹了一種新型的模塊化建筑材料，在數(shù)值模擬和實驗測試的指導下，通過設計自適應流量調節(jié)器，驗證了模塊化結構材料的優(yōu)勢。

文章請參閱：

https：//doi.org/10.1002/adem.202200148

模塊化材料的組裝策略

在本研究中，我們提出的模塊化方法加快了不同幾何設計特性的表征，其特點是直接組裝，而無需從頭打印整個新模型。利用PLA-TPU雙材料打印，并通過商業(yè)桌面規(guī)模的3D打印機(Ultimaker S3)制造了一系列的三個構建模塊。使用模塊化材料進行拼裝，不同的基本幾何形狀可以拼裝或拆卸并被替代使用。例如，兩個S塊可以形成塊R2S或塊F2S (圖1a)。作為所有塊體的基材，熱塑性聚氨酯(TPU)作為F2S塊體的彈性接頭(圖1b)，將兩個S塊插入到一個塊R2S中，這樣就可以形成一個正方形單元S1(圖1c)。不同的基礎幾何形狀(三角形、矩形、六邊形等)也可以通過相同的模塊化方法進行設計和組裝。為了概念驗證，進一步的討論將局限于方形單元。

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基于這個裝配程序，從單個單元S1到更復雜的3D幾何形狀，還可以形成多種平面單元。作為組裝策略的一個簡單演示，我們考慮基線2*2個方形單元S4S，由4個R2S塊和4個F2S塊組成，如圖1d所示。從塊級到單元級的組裝過程非常簡單直接。通過水平排列這些單元，可以設計和制造鏈條單元。作為一個代表性的例子，重復鏈單元S12-R有三個水平方向排列的S4S單元，本質上是類似于單元S3L的線性設計，只是將單個方形單元擴展為四個子單元。我們還設計并制作了另一個鏈單元S10-O，將四個不同預定義角度(90°、0°、90°、0°)的S4S單元重疊。在圖1e中，我們進一步通過四個S4S單元(單元S9S)循環(huán)設計三個平面單元，在S4S單元(單元S16-H)上添加層次化功能，并將五個S4S單元放在一個螺旋圖案(單元S20-S)上。這些單元將在以下各節(jié)中針對具體功能進行討論。

流量調節(jié)相關的目標應用場景

不考慮具體的尺度，傳統(tǒng)的流動控制通常依賴于剛性結構。我們從具有彈性鉸鏈的簡單線性單元開始，并將它們的性能與剛性單元進行比較。在圖2a中，我們給出了四種流量調節(jié)器的設計：固定基線剛性單元(BR)、由5個R2S塊和2個S塊構建的模塊化剛性單元(MR)和由3個R2S塊、2個F2S塊和2個S塊構建的模塊化柔性單元(MF-S和MF-F)。單元MF-S和MF-F分別通過使用R2S塊的硬接頭或軟接頭來區(qū)分。使用商業(yè)軟件ABAQUS 建立有限元模型，分析了這些設計的變形情況，并結合水流實驗驗證?？梢钥闯觯瑔卧狟R高度沒有變化，而其他三個單元由于彈性節(jié)點的存在而發(fā)生變化，降低鉸鏈剛度可以使單位MF-F翻轉，并由于形狀變換而完全改變穩(wěn)態(tài)流動表面輪廓，結構中鉸鏈剛度屬性不同對流固耦合產生了影響。(對剛度的探討可參閱原文圖3)

通過對有限數(shù)量的F2S塊進行組裝和拆卸，就可以實現(xiàn)不同特性的流量調節(jié)器。使用模塊化方法可以節(jié)省大量的生產時間和材料，當給定的單元在整體尺寸方面變得更大，具有更復雜的幾何和鉸鏈布局時，這種優(yōu)勢更加明顯。

基于這些初步結果，為了探索控制形狀轉變的其他因素，我們引入了一種替代的鉸鏈安排，將鉸鏈2移動到單元的底部，發(fā)現(xiàn)如果使用更軟的鉸鏈，單元也可以實現(xiàn)相同的A-B相變。雖然三胞單元的幾何結構非常簡單，但它提供了鉸鏈剛度對鏈設計變形的影響，相圖可以用于更復雜的鏈設計。? ? ? ? ?

為了增加幾何特征的復雜性和潛在的可調性，我們設計和制造了兩個線性單元并將它們的形狀變化特征與對應的方形單元進行比較。圖3d展示了一個六單元三角形單元的重新配置，包含五個軟的水平鉸鏈和一個硬的垂直鉸鏈，顯示了從A到B的相似相變，但增加了單元的靈活性?；谒岢龅哪K化方法，我們可以很容易地用不同剛度的鉸鏈，得到完全不同的流量調節(jié)器函數(shù)。例如，在圖3e中，兩個較硬的接頭用于頂部，而一個較軟的接頭用于垂直接頭。因此，具有相同數(shù)量的三角形單元的新單元可以按順序平滑翻轉，最終形成一個垂直的流動屏障，這是一個有利的配置，以推遲溢出。

使用模塊化材料進行復雜結構設計并驗證

我們沒有系統(tǒng)地研究三角形單元的幾何設計和鉸鏈安排，而是專注于模塊化設計，構建模塊及其組合，使之有一個新的幾何形狀。

我們引入了一系列多達10個單元的閉環(huán)平面流量調節(jié)器(參閱原文圖4)。并利用這些彈性鉸鏈，設計了4個3×3的閉環(huán)單元，具有4種類型的單元幾何形狀(正方形、非均勻正方形、菱形和扇形)，數(shù)值結果表明，在相同的運行時間下，隨著流動表面分布形狀的變化，由于單元擴展后的幾何輪廓不同，單元擴展后的流動特性和溢流速度也會發(fā)生變化。

為了對調節(jié)器進行更廣泛的擴展，我們設計了一個25單元的閉環(huán)平面單元(圖4c)，并從數(shù)值上證明了它的流量調節(jié)行為，但該單元不能安裝在液壓水槽中。因此我們去掉了頂部的15個細胞，得到了一個鏈狀的平面單元S10-O。有趣的是，這個單元可以轉變成比原來高三倍的傾斜形狀。如果水平添加更多單元，單元的高度和相應的流特性可以在特定的應用程序規(guī)模中為目標行為進一步調整。

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總結

總之，我們提出了一種基于簡單易組裝策略的新型模塊化體系結構材料，并證明了其在調節(jié)流量方面的通用性和魯棒性。

我們的數(shù)值和實驗結果表明，通過編程單元幾何、單元分布和鉸鏈的空間排列，設計和建立了一系列線性和平面的流量調節(jié)器。構建的單元可以組合成各種形式，剛度可定制，重組可控制，形成多功能流量調節(jié)器，可調節(jié)上游流量、延遲溢流、控制流速和流面廓形等。我們設想，提出的集成材料-結構設計概念可以擴展到在大范圍內實現(xiàn)自適應流量調節(jié)，從微流體裝置到大型堰或防洪屏障通過與各種智能材料和多材料打印技術相結合，可以進一步實現(xiàn)高級可編程性和自組裝。另一種途徑是利用人工智能和機器學習對特定的流體流動情況和性能目標進行建筑材料的逆向設計?？偟膩碚f，我們展示了一種組裝模塊化建筑材料來調節(jié)流動的新路線，模塊化設計也為基于不穩(wěn)定性的、拉脹材料和其他類型的建筑材料的組裝和拆卸開辟了新的途徑，這些材料可能會應用于更廣泛的波控制應用，如聲學。

詳情請參閱doi號：

https：//doi.org/10.1002/adem.202200148

END

文稿 | 劉? ?盼

排版?| 劉? ?盼

審核?| 胡? ?楠