仿生结构受到自然界中许多生物结构的启发，表现出比传统工程结构明显优越的力学性能。天然材料优异的力学性能归因于其结构的层次化。因此，在许多科学和工程领域，采用仿生结构设计具有定制力学性能的轻质结构不断增加。其中，竹结构尤其引人注目，因为它兼具轻质和优异的力学性能，其性能通常优于多种工程材料。
来自加州大学机械工程系的Kyriakos Komvopoulos及其研究团队在 Biomimetics 期刊发表文章，评估竹结构在横向压缩载荷下的力学行为。采用立体光刻3D打印技术，制造了由不同尺寸的竹状薄壁六边形单元(晶胞)组成的结构，并通过力学测试、高速摄像机录像和有限元模拟评估了其力学性能。本研究结果表明，通过优化六边形晶胞的尺寸和数量密度，可以制造出具有特定力学特性的超轻竹结构。
研究过程与结果
测试结构采用含有55%~75%聚氨酯二甲基丙烯酸酯、15%~25%甲基丙烯酸酯单体和<0.9%光引发剂的标准树脂制成。在对关键晶胞尺寸进行参数研究的基础上，设计了晶胞与天然材料相似的竹子状结构 (图1)。
图1：(a) 标有关键设计参数的特征单元；(b) 顶部和底部没有平板的竹状测试结构。
测试结构采用立体光刻3D打印技术制作。使用 Instron 试验机在准静态横向压缩载荷下进行机械测试。此类测试的目的是确定竹类结构的力学行为，避免增加应变率效应和/或快速损伤的复杂性 (图2)。
图2：(a) 固定在 Instron 机器刚性板之间的 4×4 单元测试结构；(b) 高速摄像机捕捉到的横向压缩载荷下的 5×5 单元测试结构断裂情况。
使用通用有限元软件ANSYS跟踪整个试验过程中试验结构中的应力和应变发展情况。从测试期间记录的力-位移数据中得出的真实应力-应变响应用于提取每个结构的关键机械性能 (图3)。
图3：结构A5的代表性真实应力-应变响应，显示了弹性模量E、屈服强度σY、断裂应变εf和断裂应变能密度uf的计算。
实验结果与模拟结果进行对比，以验证有限元模型的有效性。图4显示，竹状结构比块体结构具有更高的柔韧性且更轻。
图4：各种竹状结构弹性模量的实验和有限元分析结果。图中还包含了相同尺寸的实体 (块体) 结构的弹性模量以及每种结构相对于实体结构的体积变化，以说明竹状结构柔顺性增强且重量显著减轻。
图5显示了晶胞尺寸对竹类结构力学特性的影响。
图5：各种竹类结构的力学性能：(a) 弹性模量，(b) 屈服强度，(c) 0.028 应变时的应变能密度，以及(d) 断裂时的应变能密度。图中还包含具有相同尺寸和成分的实体 (块体) 结构的结果，以供比较
表1列出了测试结构的弹性模量、屈服强度、断裂强度和断裂应变能 (以应力-应变响应下的面积计算) 与晶胞尺寸和空隙尺寸的关系。
表1：n=3 且 A/a=5 的测试结构的力学性能
通过视频记录，我们进一步了解了竹状结构的变形行为。图6展示了失效结构的特征图像。圆圈区域表示断裂点，圆圈数字表示断裂事件的顺序，线条表示最终断裂路径。
图6：竹状结构A2.5、A5、A7.5、A10和A15的断裂过程演变 (圆圈内的数字对应断裂事件的顺序，实线表示断裂瞬间的最终断裂路径)
有限元模拟帮助我们深入了解竹类结构的失效过程。研究发现，最大应力和应变发生在结构的中心区域 (图7)。
图7：结构A10在不同变形阶段的代表性应变图 (压缩载荷从左到右增加)
研究总结
实验和有限元分析结果表明，竹节状结构的力学行为和重量与六边形晶胞的尺寸和数量密度密切相关。大多数结构在横向压缩载荷下表现出相似的失效过程，其特征是微断裂在结构中心区域萌生，随后裂纹沿最大应变的倾斜路径快速扩展。研究结果表明，晶胞 (晶格) 尺寸对竹节状结构力学行为具有主导性影响。
本研究的贡献在于建立了一种实验模拟方法，用于定制仿生结构的架构以实现特定的机械性能，并推动了具有特定微结构的仿生材料的设计，充分利用了机械行为依赖于晶格特性的结构优势。
阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2176158
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomimetics
Biomimetics 期刊介绍
主编： Stanislav N. Gorb, Kiel University, Germany
期刊致力于研究生物体的最基本方面及其特性向人类应用的转移。期刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术和生物医学领域的研究人员和专业人士提供一个平台，通过在工程系统、技术和生物医学中利用生物启发的设计，开发实现可持续创新的解决方案。
2024 Impact Factor：3.9
2024 CiteScore：4.2
Time to First Decision：17.1 Days
Acceptance to Publication：2.8 Days
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