[论文解读] An Origami-Inspired Design of Highly Efficient Cellular Cushion Materials

Ahmed S. Dalaq, Shadi Khazaaleh+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2023

Advanced Materials and Mechanics被引用 4

一句话总结

本文提出一种受折纸启发的蜂窝状缓冲材料，基于Kresling图案，通过可控折叠与粘弹性阻尼实现约70%的能量吸收效率和94%的能量耗散。该设计实现了完全形状恢复、抗损伤能力以及通过先进制造技术实现的可调机械响应，克服了传统泡沫基材料在冲击过程中存在力波动和永久变形的局限性。

ABSTRACT

Current architectured cellular cushion materials rely mainly on damage and/or unpredictable collapse of their unit cells to absorb and dissipate energy under impact. This prevents shape recovery and produces undesirable force fluctuations that limit reusability and reduce energy absorption efficiency. Here, we propose to combine advanced manufacturing technologies with Origami principles to create a new class of architectured cellular viscoelastic cushion material which combines low weight and high energy absorption efficiency with damage resistance and full behavior customization. Each unit cell in the proposed material is inspired by the Kresling Origami topology, which absorbs impact energy by gracefully folding the different interfaces forming the cell to create axial and rotational motions. A large part of the absorbed energy is then dissipated through viscoelasticity and friction between the interfaces. The result is a nearly ideal cushion material exhibiting high energy absorbing efficiency (around 70%) combined with high energy dissipation (94% of the absorbed energy). The material is also tunable for optimal performance, reliable despite successive impact events, and achieves full shape recovery.

研究动机与目标

• 为解决传统蜂窝状缓冲材料依赖不可逆损伤且在冲击过程中表现出力波动的问题。
• 开发一种轻质、可重复使用的缓冲材料，具备高能量吸收效率和抗损伤能力。
• 利用折纸原理与先进制造技术，实现冲击下可调、可预测且可重复的机械行为。
• 创造一种结合轴向与旋转变形及粘弹性阻尼的材料，实现更优的能量耗散性能。
• 实现在多次冲击事件后完全形状恢复，提升可重复使用性与性能一致性。

提出的方法

• 单元结构基于Kresling折纸拓扑设计，可在压缩下实现受控折叠，产生轴向与旋转运动。
• 采用先进制造技术（如3D打印）制造材料，以确保几何精度与可重复性。
• 使用Abaqus的有限元模型模拟准静态行为，采用壳单元，考虑三维平动、转动以及面内/面外变形。
• 边界条件限制每隔一个节点的旋转并防止倾覆，以避免数值伪影并确保模拟稳定。
• 采用Instron 5960试验机以0.15 mm/s的位移速率进行单轴准静态测试，生成F-δ曲线。
• 冲击测试采用自由落体冲击器，配备激光传感器与力传感器，采样频率为20 kHz，用于测量力-时间、位移-时间及力-位移响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 受折纸启发的蜂窝状材料是否能在冲击后实现高能量吸收效率并保持完全形状恢复？
• RQ2 Kresling拓扑结构如何通过轴向与旋转变形的协同作用实现受控折叠与能量耗散？
• RQ3 通过几何与材料参数，该缓冲材料的机械响应可在多大程度上实现可调？
• RQ4 在无永久损伤的情况下，粘弹性与界面摩擦如何共同促进能量耗散？
• RQ5 该材料能否在多次冲击事件后保持性能不退化，其恢复行为如何？

主要发现

• 所提出的材料实现了约70%的能量吸收效率，显著优于传统泡沫基材料。
• 94%的吸收能量通过粘弹性和摩擦耗散，显著降低残余能量与力波动。
• 材料在冲击后表现出完全形状恢复，可重复使用且性能无退化。
• F-δ曲线显示力峰值极小且在完全能量耗散前无致密化现象，表明理想的缓冲行为。
• 有限元模型准确预测了机械响应，验证了设计与仿真方法的有效性。
• 冲击测试结果证实多周期内性能一致，力响应可靠且恢复迅速。