近期，色情论坛冲击与安全工程教育部重点实验室丁圆圆副教授和Shim教授团队在《International Journal of Impact Engineering》期刊上发表了以“Response of hybrid plate-rod lattices to static and dynamic compression–An experimental study”为题的论文研究成果。本研究以结合板点阵和杆点阵结构各自优异特性为设计灵感，利用选择性激光熔化(SLM)设计并制造了板点阵结构(SOPL)和新型的板-杆混杂点阵结构(HPRL)。使用万能材料试验机、高速压缩测试机和直撞式霍普金森杆(DHPB)分析了混杂点阵结构的应力-应变响应，并通过DIC技术验证了DHPB实验的准确性后。在DHPB测试系统中使用两种试样安装的方法，研究了在高速压缩期间，混杂点阵结构应力平衡、惯性效应和应变率敏感性的体现。结果表明：对于低于 57 m/s 的冲击速度，惯性效应并不明显，应力的升高主要归因于材料应变率敏感性；超过 57 m/s 时，惯性效应和应力不均匀性开始显现。该研究不仅凸显了通过组合不同几何特征的胞元拓扑结构以优化力学性能的优势，还为拓展此类方法应用于其他胞元配置提供了潜在设计思路。
//doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2025.105321
研究背景
近年来，点阵结构因其优异的比强度、能量吸收能力和可定制几何形状，在抗冲击与缓冲防护领域广受关注。传统点阵结构通常采用杆状或板状单元，分别具有轻质设计与高承载能力的优势。为了整合两者优点，研究者提出板-杆混杂点阵结构HPRL，在静态和动态压缩下表现出更优的力学性能和能量吸收能力。然而，目前对于该类结构在高应变速率冲击下的响应机制和变形模式仍缺乏深入实验研究，特别是在高速度、大变形条件下的性能评估手段仍有限。
为此，本研究引入直撞式霍普金森杆DHPB实验方法，对HPRL结构在不同加载速度下进行系统测试。相比传统的落锤或分离式霍普金森杆(SHPB)测试方式，DHPB可实现更高的冲击速度、更大应变范围，并能获得结构从初始变形到最终压实全过程的应力-应变数据。此外，DHPB装置简化了波传播路径，使得通过单一波信号即可推导出全程应力-应变关系，特别适用于复杂晶格结构的大变形冲击研究，为探索点阵结构在高速冲击环境下的应用潜力提供了坚实基础。
研究内容
本研究基于板-杆混杂点阵结构的设计理念，在半开放Octet板点阵结构（SOPL）中引入杆结构单元，构建了一种新型板-杆混杂点阵结构（HPRL）。在该设计中，杆单元垂直于SOPL的每个板中心布置，通过提供额外支撑有效抑制板的变形，并增强结构整体抗变形能力（图1）。研究采用选择性激光熔化（SLM）技术制备了SOPL和HPRL样品。为确保样品一致性并最大限度降低打印参数及环境因素可能引入的变异，所有样品均在同一批次中完成制备。此外，通过分层切割检测不同高度位置的微观结构，以评估打印缺陷分布情况（图2）。
图1板-杆混杂点阵结构的设计理念及微观结构
图2 (a) 3D打印的HPRL试样; (b)结构细节的显微照片
开展了混杂点阵结构从准静态到动态压缩的实验测试，实验装置图如图3所示。其中准静态使用的是MTS，让上压板固定，下压板以0.001/s的应变率向上压缩；中速实验使用ZwickRoell HTM 5020，该设备能实现100/s的中应变率压缩；高速实验采用直撞式霍普金森杆装置（DHPB），该装置包括发射系统、数据采集系统和撞击杆组。结合DIC技术验证了DHPB实验技术的有效性，发现在点阵结构达到致密化时，使用DHPB理论计算的工程压缩应变为0.53，相比DIC结果（0.52）仅存在1.7%的相对误差，如图4所示。综上，通过上述多尺度实验技术，本研究实现了轻质混杂点阵结构在0.001/s - 2400/s宽应变率范围内的单轴应力-应变行为表征，为理解其动态力学性能提供了可靠数据支撑。
图3 (a)准静态压缩; (b)中速动态压缩测试; (c)高速动态压缩测试。
图4 DIC处理程序图(a)速度场和(b)轴向应变场; 从DHPB和DIC测量得出的样品的(c)端面速度和(d)整体轴向工程应变的比较。
图5 (a)准静态压缩过程中点阵结构变形的演变；(b) SOPL和HPRL试样在10-3 s-1全局应变速率下的准静态压缩工程应力应变响应。
图5展示了SOPL和HPRL在准静态压缩下的变形模式与应力-应变响应。两种结构均表现出典型的逐层压缩和坍塌特征，应力-应变曲线中可清晰观察到对应于七次结构坍塌的七个应力峰值。值得注意的是，HPRL由于杆单元的协同作用，为板变形提供了额外约束，使其应力水平显著高于SOPL结构。
图6 (a)以中等全局应变速率(~102/s)压缩的HPRL试样中的变形模式和应变轴向应变分布; (b) HPRL的整体压缩工程应力-应变响应。
图6呈现了HPRL试件在2.4 m/s动态压缩下的变形过程及DIC分析的轴向应变分布。当全局工程应变达到0.05时，试件首先在底部单元层发生局部坍塌，随后在其上方单元层界面区域出现局部塌陷。随着变形继续，试件表现出与准静态压缩相似的逐层坍塌模式，应力-应变曲线同样呈现七个特征应力峰值。
图7 (a) SOPL和HPRL试样在31 m/s冲击下的工程应力-应变曲线；(b) DHPB压缩过程中安装在子弹端的HPRL试样的应力-应变关系和变形特性; (c) 在DHPB测试中，安装在子弹和透射杆上的HPRL试样的应力-应变响应比较；(d) 不同应变率下的HPRL的应力应变曲线。
图7系统比较了HPRL与SOPL的动态力学性能。图7(a)显示，在DHPB冲击实验中，HPRL的前四个应力峰值幅度逐渐降低，而第四个峰值后应力急剧上升，其整体平台应力最终超越SOPL；图7(b)表明，当试件安装于子弹端时，初始屈服应力显著高于图7(a)结果，这是由于透射杆需同时克服结构坍塌力和试件惯性阻力；图7(c)定量显示，子弹端安装试件的平台应力比透射杆端安装高9.3%，证实当冲击速度达到57 m/s时惯性效应不可忽略；图7(d)揭示了HPRL在不同冲击速度下的应变率敏感性。
主要结论
1.所研究的SOPL和HPRL试样的准静态和动态压缩在屈服后平台期产生了7个可辨别的应力振荡，这些对应于结构内的逐层塑性坍塌。HPRL 构型的平均平台应力始终高于其 SOPL 对应物，因为混杂杆单元被证明可有效增强它们所附着板的抗变形性。
2.DHPB 测试中试样内部应力平衡的假设超过了DHPB测试的初始“弹性”响应阶段，通过使用两种不同的试样安装模式(即在子弹上和透射杆上)进行测试来验证。就惯性阻力而言，对于低于57 m/s的冲击(对应于测试试样的整体应变率2400/s)，惯性效应并不显著，应力的升高主要归因于材料速率敏感性；超过57 m/s，惯性效应和试样应力不均匀性开始明显。
3.HPRL 结构的平均平台应力和比能量吸收随冲击速度的增加而增加，展现出较强的应变率敏感性；与SOPL构型相比，HPRL的平台应力和比能量吸收分别高出42%和34%，充分体现了其结构设计优势。
