近日，航天学院复合材料与结构研究所谭惠丰教授和陈雪岩副教授课题组在机械超材料领域取得重要进展，相关成果以“Shell-lattice metamaterials with intrinsic contact stabilization for exceptional mechanical performance and nonlinear stability”为题，发表在力学领域权威期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。该研究为在低相对密度条件下同步提升点阵材料的强度、非线性与稳定性提供了可行路径。

点阵材料通过复杂几何构型实现力学性能的精确调控，展现出优异的力学特性。然而，随着相对密度的降低，高屈服强度、高弹性模量与非线性应力稳定性之间的权衡关系，限制了此类材料在低密度条件下的应用。因此，“如何在低相对密度下同时实现高弹塑性性能和非线性稳定性”成为亟待解决的关键问题。

图1 (a)桁架结构两端的简化固定梁模型和空心结构的变截面模型，显示轴向压缩、弯矩和剪切载荷下的变形。(b)接触行为源于施加载荷下节点和支柱的受控配置。(c)通过利用节点接触后改善的机械响应，该设计减轻了由于低相对密度下的不稳定性而导致的性能损失，确保了整个非线性范围内的稳定应力行为。(d)用于在BCC桁架上实现上述机制以产生新颖的壳体网格设计的一般过程。通过引入椭圆曲线来调节空心球节点之间的过渡曲率，改造后的系统能够设计两种不同的网格类型:CSL和ISL

针对上述挑战，哈尔滨工业大学谭惠丰教授和陈雪岩副教授团队提出了一种新颖的壳状超材料设计方法。该方法融合拉伸主导机制与接触增强稳定机制，在大变形下形成补偿强化效应，同时具备高比刚度与高能量吸收能力。

传统点阵材料虽具有轻质与性能可调的优势，但在低相对密度下面临固有矛盾：优化弹塑性性能往往导致抗屈曲能力（非线性稳定性）下降。在相对密度为0.1时，此类结构常出现持续的不稳定振荡，或需牺牲强度、刚度以维持稳定响应。为此，研究团队提出一种可行方案：通过精细化设计，将椭圆形空心支柱与空心球形节点无缝集成，促使单轴压缩过程中产生横向接触，从而提升力学性能。此外，通过参数优化可实现弹性各向同性，广泛的调控能力也可为不同应用定制各向异性弹性响应。

图2 壳体和桁架的弹性各向异性和各向同性

该设计基于两个关键机理：实心与壳结构在弯矩、剪力及抗屈曲性方面的显著差异，以及结构内部接触相互作用引发的应力增强效应。图1c示意了壳格单胞的主要几何参数，这些参数相互关联。为确保壳格表面光滑，需满足一组描述几何关系（旋转对称）、位置约束（节点位置）、椭圆构型（长短轴比）以及空心球‑椭圆曲线界面切线连续性的内部方程，保证各连接点处切线斜率一致：

经过推导，上述方程可简化为关于θ的隐函数：

研究进一步探讨了各向异性与结构参数之间的关系。传统点阵在低密度下通常呈现显著各向异性，制约其在多向承载场景中的应用。本研究提出的壳格超材料通过参数优化，可在0.01‑0.5的宽相对密度范围内实现近乎完美的弹性各向同性。

在低相对密度下，传统拉伸主导点阵易发生屈曲失稳，引起应力骤降与变形失控。本研究引入的接触增强机制显著提升了大变形阶段的力学稳定性。在相对密度为0.1时，ISL结构在非线性阶段呈现持续应力增强，平均平台应力比β达到1.20，表明结构在屈服后仍能维持甚至提高承载能力。与其他优秀点阵材料相比，该结构在非线性应力稳定性方面表现突出。

图3所提出壳格（CSL）在非线性稳定性方面，与其它传统弯曲主导和拉伸主导的桁架、壳状点阵材料的对比

图4 ISL和CSL的比能量吸收和屈服强度Ashby图

研究进一步将所提出的材料与其他优秀点阵结构进行对比，结果显示其在比能量吸收效率和屈服强度方面均表现优异。

哈工大为论文的唯一署名单位，第一作者为航天学院博士生张沛洁，哈尔滨工业大学陈雪岩副教授为论文的通讯作者，团队研究生于鹏辉参与了相关研究工作。该研究工作得到了特殊环境中先进复合材料科学技术国家重点实验室科学基金、国家自然科学基金的资助。