日前，航天学院复合材料与结构研究所熊健教授课题组提出一种新型褶皱型双向自锁结构，揭示其双向自锁特性以及能量吸收机理。相关成果以“Origami-based bidirectional self-locking system for energy absorption”为题，在固体力学顶级期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上发表。

当周期性结构承受超过材料屈服强度的载荷时，其内部单胞会发生位错滑移，导致宏观力学性能急剧下降。具有自锁效应的周期结构可以克服这一固有缺陷。二维自锁系统可在特定方向上承受载荷，但无法适用于多向、复杂载荷工况。本文提出一种三维褶皱自锁结构，具备高能量吸收效率和双向自锁能力，在法向应力和剪切应力等复杂载荷共同作用下保持自锁效果（如图1所示），具备多方向承载能力以满足复杂载荷工况需求。

图1 自锁系统正向压缩和斜向压缩响应

将褶皱型自锁单胞的压缩模式简化为：刚性折面围绕塑性铰链进行旋转运动，主要考虑塑性铰链的变形吸能。采用塑性铰理论揭示褶皱型自锁单胞的能量吸收机理，并研究关键结构参数对其影响。通过调整这些关键参数来控制单胞压缩曲线形状和趋势，以实现其定制化设计。

系统地进行正向压缩、斜向压缩，以及正向冲击和斜向冲击试验（如图2所示），以验证褶皱型系统的双向自锁特性。

图2 自锁特性试验验证

本文研究的褶皱型双向自锁结构属于弯曲型主导结构，主要通过塑性铰链的变形来吸收能量。由于褶皱型自锁单胞内存在大量塑性铰链，比现有其他弯曲主导型自锁结构（如图3所示）具有更好的比吸能。此外，该褶皱型自锁单胞的压缩曲线表现出平坦且稳定的特点，并且其变形模式可预测和控制，这是褶皱型双向自锁结构的主要优势。

从宏观角度看，褶皱型单胞之间存在着自锁效应，在不施加额外约束条件下也可以保持结构完整性，并且具备显著的轻质携行、迅速组装以及可拆卸等优点，在应急防护吸能领域具有显著应用优势；从微观角度看，则为解决周期性多晶格材料中单胞错位滑移问题提供全新思路。

本文第一作者为航天学院博士研究生陈宗兵，通讯作者为航天学院教授熊健。哈尔滨工业大学为第一署名单位和独立通讯单位。该研究工作得到国家自然科学基金和黑龙江省头雁计划项目等支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105672