李众 王帅 魏百娲

摘 要：origami結构由单个镶嵌重复的单元组成，其整体机械性能取决于折叠方式和几何形状，有着吸收能量、抗压痕、吸声和绝热等优良性能。它被广泛的应用在汽车、船舶、航空等领域。本文简述了对origami吸能能力（EAC）的研究，并在结尾提出未来的研究方向。

关键词：origami结构;EAC;高速运载工具

1、引言

在过去的几个世纪里，人们通过折纸（origami）和剪纸（kirigami）技术，将二维的纸张变成复杂的三维结构。它们在制造复杂的三维几何形状时，改变了初始平坦结构的固有曲率，同时限制材料变形以不干扰表面特征。因此基于origami结构开发出的新型智能材料、超材料和智能结构，被广泛应用在各行各业中。

2、origami的超高吸能能力（HEAC）研究

飞机、高铁等高速运载工具的出现，在给我们带来便利的同时，也可能为给我们造成不可弥补的损失。因此，怎样减轻高速运载工具在发生意外时造成的伤害，成为当今研究的重要方向。在意外发生时，往往伴随着巨大能量的产生，如何有效地吸收这些能量是我们所面对的难题。origami结构的HEAC提供了解决的可能。

国内外学者在HEAC的材料和结构研制过程中，通过合成材料、开发新型结构、改变结构的几何参数（即其几何形状）、改进夹芯结构等方式，获得了具有HEAC的材料或结构。

Li T[1]等人在2018年通过实验和有限元分析，研究了重入蜂窝增强复合材料，它是一种以不可压缩的软材料为基体，具有生长格构结构的高性能复合材料。发现重入蜂窝增强复合材料的杨氏模量是手性桁架和普通蜂窝增强复合材料的四倍，是桁架增强复合材料的五倍。重入蜂窝增强复合材料在25%的应变下的能量吸收是其他三种复合材料的三倍。因此，与非增生性晶格增强复合材料相比，增生性晶格增强复合材料具有较好的能量吸收的性能。

与Li T团队不同的是，Jiayao Ma[2]等人在2018年制造并研究了一种新型结构——基于Miura-ori折叠模式的origami结构。在文献[2]中，Jiayao Ma提出了4种具有代表性的模型。通过变层叠加顺序，成功地创建了两级、三级和四级分级刚度。四级分级刚度模型42-54-50-46的比吸收能（SEA）最大，为1.92 j？g^（-1），高出基线42-46-50-54的13.61%，高出均匀结构48-48-48-48的134.15%。通过几何参数进行调整，origami结构能够产生高达四级的分级刚度，并且这种分级结构具有优越的能量吸收效率。

除了上述研究方法，也有学者通过改变现有结构的几何参数，以此来研究其性能的变化。2017年，Xiang X M[3]等人对拟静态平面外压缩的arc-Miura模型进行了参数化研究。对所制arc-Miura试样进行准静态平面外压缩试验。采用自由端和固定端两种边界条件，得到了的相关结果并且通过数值仿真进行验证结果。研究发现，除a1=35.1 mm外，在不同a_1下的自由端arc-Miura模型，SEAf （自由端下的比吸收能）几乎相同。然而，对于固定的arc-Miura模型来说，比能吸收（SEA）随a1的增加而大大减少。在两种边界条件下，arc-Miura模型的SEA是它们相应的单拱的2-4倍。

同年，Zhou Z[4]等人为了得到具有理想能量吸收性能的结构，改进了现有蜂窝结构，设计并制作了重入式蜂窝。通过平面内压缩实验和数值模拟，发现重入蜂窝具有更好的能量吸收性能。采用重入设计，平均破碎力（MCF）甚至大于峰值力，这有利于设计产生内力小但EAC大的器件。

Chang Y[5]等人在2018年，研究低速冲击如何影响增生性经编间隔织物的能量吸收，并准备了5个样品进行低速冲击、落体冲击实验。得到的吸能-时间的曲线。通过比较五个试样的吸能-时间曲线，可以明显看出，吸能-时间曲线斜率逐渐增大，说明织物对冲击能的吸收越来越快。除此之外，还发现纤维的吸能、抗冲击性能与纤维的增生性性能呈正相关关系，并且初始冲击能对冲击阻力和能量吸收速率有影响。考虑到材料泊松比，可以预测具有较好的辅助性能的间隔织物在低速冲击下能吸收更多的能量，在此过程中冲击能量被吸收的速度越来越快。

3、结论

文中通过比较不同学者的研究方法，阐述了关于origami结构HEAC的研究现状。发现在所有的实验中，研究结构的力学性能偏多，且现存的研究层面大多在宏观结构，并且所使用的材料或者结构不易得，因此不利于推广。

基于上述几个问题，未来我们可以：

1） 除了力学之外，还可以研究origami结构的模态，屈曲，失稳等;

2） 逐步将宏观的研究推广到微观origami结构性能如导电性，隔热性，吸光性等研究层面上。

参考文献：

[1] Li T， Chen Y， Hu X， et al. Exploiting negative Poisson's ratio to design 3D-printed composites with enhanced mechanical properties[J]. Materials and Design， 2018， 142： 247-258.

[2] Ma J， Song J， Chen Y. An origami-inspired structure with graded stiffness[J]. International Journal of Mechanical Sciences， 2018， 136：134-142.

[3] Xiang X M， Lu G， Ruan D， et al. Large deformation of an arc-Miura structure under quasi-static load[J]. Composite Structures， 2017， 182： 209-222.

[4] Zhou Z， Zhou J， Fan H. Plastic analyses of thin-walled steel honeycombs with re-entrant deformation style[J]. Materials Science and Engineering A， 2017， 688： 123-133.

[5] Chang Y， Ma P， Jiang G. Energy absorption property of warp-knitted spacer fabrics with negative Possions ratio under low velocity impact[J]. Composite Structures， 2017， 182： 471-477.