【东南大学|南昌航|复材顶刊】拉胀管与蜂窝管耦合设计,兼顾吸能、刚度与振动控制特性

传统拉胀管在轴向压缩下具有独特的横向收缩特性，在能量吸收领域备受关注，但其普遍存在屈曲和向内塌陷导致的过早破坏问题，限制了刚度、能量吸收能力和设计灵活性。现有填充增强策略往往伴随质量过大和组件间刚度不匹配，导致能量吸收行为由单侧主导，整体效能不高。

针对这些痛点，东南大学、南昌航空大学的研究团队在Composites Part B发表了相关研究成果。该研究提出了一种将剪纸启发的拉胀管与蜂窝管进行耦合设计的新方法，成功创造出一种兼具轻量化、高刚度、高能量吸收能力且固有频率可调的多功能复合管状结构，为航空航天、交通运输等领域的工程防护与减振设计提供了创新的材料解决方案。论文标题为“A coupled design approach for carbon fiber reinforced kirigami-inspired tube。”

 该研究采用实验与有限元分析相结合的方法，系统评估了三角形拉胀圆柱管（Kirigami-inspired Triangular Auxetic Cylindrical Tube；KTACT）与构建耦合管（Coupled Tube ；CT）的力学性能。通过调节KTACT的角度参数θ、φ及壁厚T₁，可实现对泊松比和能量吸收特性的广泛调控。而六边形蜂窝管（Hexagonal Honeycomb Tube；HCT）则提供正泊松比支撑。两者嵌套后，在轴向压缩下通过侧向变形相互作用，形成耦合界面，从而抑制屈曲并提升整体力学响应。文章的力-位移曲线与泊松比变化表明，CT在保持拉胀行为的同时，承载平台更加平稳，能量吸收显著增强。

图1 正负泊松比管轴向压缩变形机制示意图

图2  耦合管（CT）设计示意图

图3  KTACT与HCT变形过程对比（实验与有限元）

图4 角度θ和φ对KTACT力学性能的影响

分析表明，CT在比刚度、比能量吸收（Specific Energy Absorption；SEA）及有效压缩位移方面均显著优于单一KTACT。具体表现为：SEA提升约2.5倍，有效压缩位移提高约一倍。通过调节KTACT角度φ、HCT边长b及相对厚度β，CT的泊松比行为、能量吸收与刚度可实现系统调控。此外，CT还具备可调固有频率特性，通过调整相对旋转角γ可在不影响刚度的情况下调节频率，实现振动隔离。

图5 角度φ与边长b对CT力学性能的参数分析

图6 CT固有频率调谐分析  

图7 碳纤维增强管实验分析

图8 CT耦合增强机制与性能对比图

该研究所提出的CT结构集轻量化、高刚度、高能量吸收及频率可调等特性于一体，具备广泛的应用潜力。例如在航空航天领域可用于冲击缓冲；在汽车工程中作为碰撞吸能构件；在精密设备中则可通过频率调节避免共振，提升系统稳定性。此外，碳纤维增强版本的CT也显示出在更高强度、刚度需求场景中的适用性，进一步拓展了其工程应用范围。