3D打印蜂窝结构力学性能与优化设计研究

3D打印蜂窝结构在准静态压缩下的力学行为规律及设计优化路径，重点揭示了结构参数、材料特性与能量吸收性能的关联机制：

一、力学性能与变形模式解析
通过面内单轴压缩实验，系统研究了六边形、正方形、三角形蜂窝结构的变形特征：

• 六边形蜂窝呈现各向异性：X1方向形成45°交叉变形带，X2方向产生垂直于加载方向的变形带，表现出优异的能量吸收稳定性
• 正方形结构压缩时形成垂直变形带并向一侧弯曲，三角形结构则无显著变形带，与脆性蜂窝的断裂失效模式形成鲜明对比
• 相对密度增大显著提升弹性模量、平台应力及能量吸收能力，但导致致密化应变降低；X1方向因各向异性特性展现更优的平台应力和吸能效率

二、重复压缩特性验证
PDMS蜂窝经多次压缩仍保持稳定力学响应；TPU系列材料因塑性变形特性，其应力-应变曲线在初始压缩后下降并趋于稳定。以TPU(1)蜂窝为例，X1方向平台应力与能量吸收分别稳定在原始值的57.1%和59.6%，证实了弹性多孔结构的可重复利用潜力。

三、与发泡材料性能对比
规则蜂窝结构凭借明确的平台阶段，在致密化前可吸收更多能量且传递应力更小。相较于随机发泡材料的应力单调递增特性，蜂窝结构通过规则孔隙设计实现了更高效的能量吸收控制。

四、数值模拟与梯度设计创新
基于PDMS材料特性建立的高精度有限元模型，通过单轴压缩实验验证了其预测准确性。梯度蜂窝结构设计通过调控各层单元尺寸，实现了平台区域变形模式的可控调节，为轻质材料设计开辟了新思路。数值模拟技术则提供了经济高效的性能预测手段，支撑了材料-结构协同优化设计。通过打印参数调控、梯度结构设计及数值模拟验证，可实现蜂窝结构力学性能的精准设计与预测。这些发现为缓冲减震、护具定制等领域的工程应用提供了关键理论支撑与技术路径。

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