仿生海绵可组装力学超材料设计及耐撞特性

林志芊; 熊奕乐; 王慧赟; 胡大勇; 张宏博

doi:10.12382/bgxb.2025.1054

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仿生海绵可组装力学超材料设计及耐撞特性

更新时间：2026-07-23

- 仿生海绵可组装力学超材料设计及耐撞特性
- Design and Crashworthiness of Assembled Bionic Sponge Metamaterials
- 兵工学报 2026年47卷第7期页码：251054
- 作者机构：
  
  北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 102206
- 作者简介：
  
  邮箱： hudayong@buaa.edu.cn
  邮箱： hb.zhang@buaa.edu.cn
- 基金信息：
  
  技术基础科研项目(JSHS2023601A006)
- DOI：10.12382/bgxb.2025.1054
  中图分类号： O342
- 收稿：2025-12-01，
  
  网络首发：2026-07-23，
  
  纸质出版：2026-07-31
- 稿件说明：
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林志芊,熊奕乐,王慧赟等.仿生海绵可组装力学超材料设计及耐撞特性[J].兵工学报,2026,47(07):260-272.

LIN Zhiqian,XIONG Yile,WANG Huiyun,et al.Design and Crashworthiness of Assembled Bionic Sponge Metamaterials[J].ACTA ARMAMENTARII,2026,47(07):260-272.
林志芊,熊奕乐,王慧赟等.仿生海绵可组装力学超材料设计及耐撞特性[J].兵工学报,2026,47(07):260-272. DOI： 10.12382/bgxb.2025.1054.

LIN Zhiqian,XIONG Yile,WANG Huiyun,et al.Design and Crashworthiness of Assembled Bionic Sponge Metamaterials[J].ACTA ARMAMENTARII,2026,47(07):260-272. DOI： 10.12382/bgxb.2025.1054.

摘要

受深海玻璃海绵骨架结构启发的力学超材料在抗冲击防护领域极具潜力，但现行制备工艺存在结构可调性差、功能单一等问题。将仿生海绵超材料与可组装超材料相结合，设计出具有完全对称胞元的新型仿生海绵可组装力学超材料（Assembled Bionic Sponge Metamaterials， ABSM）。选用316L不锈钢材料制备ABSM-无锁、ABSM-有锁、BSM-一体共3种试样的板材，通过横板-竖板-斜板之间的相互插接组装成稳固的互锁结构，实现仿生海绵超材料迅速且简易的成型制备。通过准静态压缩试验和有限元数值模拟对3种结构的吸能特性展开研究。研究结果表明：ABSM-有锁的平均压溃力、比吸能与压溃力效率较ABSM-无锁分别提升了52.66%、18.94%与17.1%；锁扣结构的引入使结构呈现双平台特征，变形过程中出现负泊松比现象，有效提高了结构的稳定性，强化了结构的能量吸收能力；所提出的组装设计方法为仿生海绵力学超材料的制备提供了一种新思路，有益于该结构未来在实际工程中的应用，为未来功能化的发展提供了新途径。

Abstract

Mechanical metamaterials inspired by the skeletal structure of deep-sea glass sponges offer significant potential for the application in impact protection. However， the conventional fabrication processes are often limited by poor structural adjustability and restricted functionality. An assembled bionic sponge metamaterial （ABSM） with completely symmetrical unit cells is designed by the combining bionic sponge metamaterials with the assembled metamaterials. Three types of specimen plates， namely ABSM-unlocked， ABSM-locked， and BSM-integrated， are fabricated using 316L stainless steel. These plates are assembled into stable interlocking structures through horizontal， vertical， and inclined interlocking plates， enabling the rapid and straightforward fabrication of the bionic sponge metamaterials. The energy absorption characteristics of the three structures are then investigated through the quasi-static compression tests and the numerical simulations. The results show that the mean crushing force， specific energy absorption and crushing efficiency of the ABSM-locked structure are increased by 52.66%， 18.94%， and 17.1%， respectively， more than those of ABSM-unlocked structure； meanwhile， the introduction of the interlocking structure endows the structure with a double-platform characteristic， and a negative Poisson's ratio phenomenon occurs during the deformation process， which effectively enhances the structural stability and the energy absorption capacity. The assembly approach offers a new strategy for the fabrication of bionic sponge metamaterials， which is advantageous for future practical engineering applications and offers a way for further functional development.

关键词

Keywords

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