近日，航天学院复合材料与结构研究所谭惠丰课题组在调控点阵材料非线性阶段应力稳定性方面取得重要进展。相关成果以“Grid hollow octet truss lattices that are stable at low relative density”为题，在固体力学顶级期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上发表。

点阵材料作为一种力学超材料，表现出卓越的物理和力学属性。然而随着相对密度的下降，局部塑性变形和屈曲行为更多的出现，导致应力振荡明显，阻碍了点阵材料在低相对密度应用的前景。因此“在较低的相对密度下如何实现非线性稳定性”是一个急需解决的的问题。

为解决上述问题，哈尔滨工业大学谭惠丰教授和陈雪岩副教授团队提出在低相对密度下应力稳定的设计策略，并增强了原始点阵材料的刚度、强度和SEA，该研究还定量评估了低相对密度超材料的稳定性，并提出验证了三参数度量方法，为解决低相对密度下点阵材料易发生非稳态屈曲响应的问题提供了新的解决和评判方案。

图1 设计具有优异和稳定机械性能的轻质晶格材料的策略

点阵材料凭借其拓扑优化结构与轻量化特性的完美结合，为现代工业对高强度、高刚度结构材料的迫切需求提供了突破性解决方案。然而，点阵材料在低密度化拓展过程中长期面临关键性技术障碍，其拓扑优化结构随相对密度降低而呈现显著的局部屈曲现象，导致材料体系在临界低密度阈值下易发生非稳态屈曲响应。因此，紧迫的问题仍然存在：在较低的相对密度下能否实现非线性稳定性？鉴于此，谭惠丰教授团队提出了一个可行的解决方案，将空心结构与网格分布结构相结合，称为网格空心八角点阵（GHOT）晶格。它在低相对密度下表现出非常稳定的非线性压缩响应，同时为了定量评估低相对密度超材料的稳定性，提出了三种验证度量方法，揭示了非线性阶段应力稳定性的形成机制。

低相对密度时，其变形主要受局部或全局屈曲行为主导，导致压缩应力-应变曲线多为波动型，影响能量吸收效果，因此需要对其非线性稳定性进行定量评估。以三种参数平均平台应力比(β)、波动系数(χ)、改进标准差(δ)来定量评估稳定性。

图2 （a）波动型和增强型应力-应变曲线，以及相应的理想应力曲线。（b）稳定性度量公式中使用的参数。GHOT和HOT晶格在相对密度（c）0.05和（d）0.10下的应力-应变曲线的稳定性参数表达式

论文进一步与其他优异的点阵材料进行对比，与其他知名的桁架、管状和壳结构相比，GHOT 在低和中等相对密度下展现出优异的能量吸收效率。与壳晶格相比，其 SEA 值具有优势，并且非线性响应更稳定，超越了其他晶格结构。

图3 在非线性稳定性方面，所提出的GHOT晶格与其他传统的弯曲和拉伸主导的桁架和壳晶格的比较

图4 GHOT和其他点阵结构不同相对密度的比能量吸收Ashby图

论文的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、谭惠丰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。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509625000444