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薄壁结构具有耐撞性能好、重量轻等优点，并在倒塌过程中表现出稳定可控的变形模式，因此作为车辆被动安全系统中的吸能结构得到了广泛的应用。随着研究者们对薄壁结构吸能器的深入探究，传统空心管的耐撞潜力几乎已被完全挖掘。另一方面，晶格结构由于其优异的力学性能、灵活的可设计性和精确的可定制性在获得了越来越多的关注。而增材制造技术的发展也为结构设计提供了更大的自由度，也使得研究人员可以将轻质高强的复合材料引入复杂的结构设计。 2023年9月，复合材料TOP期刊《Composites Science and Technology》发表了中南大学交通运输工程学院在晶格结构填充多胞管的一体化设计与增材制造方面的工作，论文标题为“Integrated design and additive manufacturing of lattice-filled multi-cell tubes”。刘怡森为第一作者，汪馗教授和王琎博士为通讯作者。  该研究基于熔融沉积成型（FDM）技术，将短切碳纤维增强聚酰胺复合材料用于制造晶格结构填充的多胞管，并通过准静态压缩试验来研究该结构的力学响应和能量吸收特性。另外，对多胞管和晶格结构的变性机制和协同效应也进行了详细研究。并在此基础上对复合材料晶格结构填充多胞管的平均压溃力进行了理论分析。 作者采用熔融沉积成型3D打印技术，提出并研究了晶格填充多胞管，采用了以下两种组装策略：(1)晶格结构与多胞管单独打印并装配(图1d)；(2)晶格填充多胞管作为整体打印成型(图1e)。 
图1.(a)晶格填充多胞管的结构设计和尺寸参数；(b) 晶格结构的单胞；(c) FDM的原理；不同组合策略的示意图：(d) 装配成型的晶格填充多胞管；(e) 一体化成型的晶格填充多胞管 为了研究复合材料晶格填充管在准静态工况下的压溃行为，在室温(20℃)下以2 mm/min的恒定速度进行准静态压缩试验。由空管、晶格结构、“晶格结构+管”与晶格填充多胞管的力-位移曲线对比可知，两种装配形式的晶格填充管都体现出了能量吸收增强(协同效应，图2和图3)，其能量吸收之和分别比各部分组件的算术和高出55.6%和83.8%。此外，晶格结构填充多胞管的比能量吸收和压溃力效率也具有显著得提升。 
图2. 晶格填充管(装配成型)及其各部分组件的(a)力-位移曲线和(b)能量吸收特性比较 
图3. 晶格填充管(一体成型)及其各部分组件的(a)力-位移曲线和(b)能量吸收特性比较 从图4的压缩过程以及图5的剖面图中可以看出，内部的晶格填充影响了外管壁的变形模式，导致折叠数量增加，从而显著地提升了能量吸收性能。其中，空多胞管和装配成型的晶格填充管进入屈服阶段后形成交替的折叠。而一体成型的晶格填充管在变形过程中受到内部结构的相互作用影响，其外部管壁的折叠变为对称模式，并在多胞管的内壁上产生了更多的塑性铰链。 
图4. (a) 空多胞管、(b) 装配成型的晶格填充多胞管和(c) 一体成型的晶格填充多胞管的轴向压缩过程 
图5. (a)装配成型和(b)一体成型的晶格填充多胞管压缩后的剖面图及折叠示意图 最后，作者基于简化超级折叠单元(SSFE)理论和晶格结构支柱的弯曲变形机理，对复合材料晶格填充管的平均压溃力进行了理论分析，理论结果与实验研究非常吻合，并可扩展到具有其他不同填充构型的晶格填充管。 该研究是基于中南大学交通院汪馗团队的3D打印复合材料薄壁结构的一系列工作的最新成果。该系列工作先后研究了不同材料及构型的薄壁结构在不同加载速率及环境温度下的轴向压溃行为、变形模式，及吸能特性，并考虑了采用热压处理方法对3D打印复合材料薄壁结构界面性能的改善和耐撞性能的增强作用。此外，还基于FDM技术将功能材料引入薄壁结构设计，制造了具有形状记忆功能的薄壁吸能结构，表现出良好的形状可恢复性和吸能可逆性（系列工作相关文献如下）。 在这些工作的基础上，该研究将短切碳纤维增强聚酰胺制造的3D打印晶格结构与多胞管相结合，提出并制备了装配成型和一体成型的两种晶格填充多胞管，以进一步提升多胞薄壁结构的耐撞性能。在准静态条件下通过压缩试验研究了多胞管的压缩响应，变形模式和能量吸收特性。结果表明，将晶格填充到多胞管中，会使的组合结构的折叠数量的增加。当晶格结构与多胞管一体成型时，多胞管的管壁由不对称折叠变形模式转变为对称折叠变形模式，且能量吸收性能进一步提高。通过观察试件的纵向截面，进一步研究了晶格填充管的变形和协同效应机制。并最终基于理论和实验相结合的方式，对复合材料晶格填充管的平均压溃力进行了理论分析。 原始文献： Liu Y, Tan Q, Lin H, et al. Integrated design and additive manufacturing of lattice-filled multi-cell tubes[J]. Composites Science and Technology, 2023: 110252. 原文链接： https://www./science/article/pii/S0266353823003469 相关文献： [1]Wang J, Liu Y, Wang K, et al. Progressive collapse behaviors and mechanisms of 3D printed thin-walled composite structures under multi-conditional loading[J]. Thin-Walled Structures, 2022, 171: 108810. https://www./science/article/pii/S0263823121007813 [2]Wang K, Liu Y, Wang J, et al. On crashworthiness behaviors of 3D printed multi-cell filled thin-walled structures[J]. Engineering Structures, 2022, 254: 113907. https://www./science/article/pii/S0141029622000657 [3]Liu Y, Wang J, Cai R, et al. Effects of loading rate and temperature on crushing behaviors of 3D printed multi-cell composite tubes[J]. Thin-Walled Structures, 2023, 182: 110311. https://www./science/article/pii/S0263823122008631 [4]Wang J, Tan Q, Wang K, et al. A heat‐press‐treatment method for 3D printed thin‐walled composite structures with improved interfacial and compressive properties[J]. Polymer Composites, 2022, 43(11): 8471-8482. https://4spepublications.onlinelibrary./doi/abs/10.1002/pc.27017 [5]Wang K, Sun G, Wang J, et al. Reversible energy absorbing behaviors of shape-memory thin-walled structures[J]. Engineering Structures, 2023, 279: 115626. https://www./science/article/pii/S0141029623000408 [6]Sun G, Wang J, Wang K, et al. Repeatable compressive functionality of 3D printed shape-memory thin-walled corrugated structures[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2023: 108552. https://www./science/article/pii/S002074032300454X 稿件整理：刘怡森、张鑫 责任编辑：张鑫
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