科学家通过力学检测设备和3D打印等揭示了不同屈曲模式之间的关系！

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　　【研究背景】塑性变形与屈曲行为是材料科学中的一个重要研究方向，因其在工程、航空航天和生物材料等领域的应用受到广泛关注。与传统的弹性材料相比，塑性材料在屈曲和失效机制上表现出独特的优点，如更高的能量吸收能力和良好的抗冲击性能。然而，塑性变形也可能会引起材料性能的劣化，因此这带来了设计和应用中的一系列挑战。

　　为了解决这样一些问题，荷兰阿姆斯特丹大学Wenfeng Liu，Corentin Coulais等携手在屈曲行为与塑性变形结合的研究中取得了新进展。该团队设计并制备了一种新型的超弹塑性元件，实现了对屈曲行为的有效控制。通过调整单元格的几何参数和材料的本构模型，他们成功地实现了可控的多步屈曲过程。这种设计的元件在压缩过程中展示出明显的屈曲与塑性变形协同作用，明显提高了材料的后屈曲刚度和能量吸收性能。

　　研究表明，塑性变形不仅仅可以在屈曲负载下提供额外的能量耗散，还能保证材料在屈曲发生时的稳定性，避免了传统材料在屈曲后迅速失稳的问题。通过数值模拟和实验验证，该团队证实了所设计的材料在多次屈曲过程中的优越表现，成功获取了显著的能量耗散结果。

　　表征解读】本文通过有限元模拟和实验表征手段，揭示了不同屈曲模式之间的关系，并通过精确调节参数验证了屈曲行为。首先，利用Abaqus软件进行的有限元模拟，本文研究了不同的几何参数（如厚度与长度比t/ℓ）和材料力学参数（如弹性模量比Et/E和相对屈服应力σy/E）对弹性屈曲、塑性屈曲和屈服屈曲三种模式的影响。通过对屈曲刚度和后屈曲载荷的测量，发现屈服屈曲模式下的后屈曲载荷始终低于初始屈曲载荷，验证了屈服屈曲的独特性。

　　本文针对屈曲现象，通过应力与应变分布的分析，深入探讨了不同屈曲模式的微观机制。具体来说，在屈服屈曲时，塑性变形主要局限于结构的边角位置，而弹性屈曲和塑性屈曲的应力分布相对均匀。这一发现说明屈服屈曲不仅是屈曲和屈服的同步触发，还导致了应力的高度非对称分布。这种非对称性使得屈服屈曲后载荷下降，并显著区别于弹性和塑性屈曲模式。

　　在此基础上，本文还通过模拟分析了结构在缺陷下的屈曲敏感性，揭示了屈服屈曲对缺陷的不敏感性。尽管在弹性和塑性屈曲中，后屈曲刚度随着缺陷的增大而增强，屈服屈曲则保持了负的后屈曲刚度，说明屈服屈曲模式在实际应用中更稳定。此外，通过对简单双单元结构的模拟，本文发现屈服屈曲可以在一定程度上完成单元之间的完全独立屈曲，进一步说明了该模式在设计多级屈曲结构中的潜力。

　　在实验方面，本文利用3D打印技术和316L不锈钢材料，验证了屈服屈曲在多层单元结构中的应用，成功实现了序列屈曲。这一实验结果与模拟结果高度一致，证明屈服屈曲能够有很大成效避免大尺寸超材料中的全局屈曲问题，以此来实现干净的局部屈曲模式。这种局部屈曲模式不仅仅依赖于材料和几何设计，还受到屈曲模式之间协同作用的影响，为多步屈曲结构的设计提供了新的路径。

　　总之，本文通过有限元模拟、应力应变分布的分析以及实验验证，深入研究了屈服屈曲模式及其对局部屈曲和全局屈曲的影响。通过一系列表征手段，本文揭示了屈服屈曲在实现多层单元序列屈曲中的及其重要的作用，并为未来新型超材料的设计和应用提供了理论支持和实践验证。最终，本研究有望推动复杂结构中多级屈曲的精确控制，为开发具有更高稳定性和更优异性能的超材料奠定了基础。

　　结论展望】在机械超材料设计中，传统上对塑性变形的忽视可能限制了其性能的提升。通过引入“屈服屈曲”的概念，研究者们展示了塑性与屈曲不稳定性之间的微妙平衡，这不仅挑战了对塑性变形的传统观念，也为超材料设计开辟了新的方向。这一发现表明，塑性并非单纯的失效模式，而可当作一种有效的设计工具，帮助实现更高效的能量吸收和优异的结构性能。

　　此外，顺序屈服屈曲的应用使得超材料能够在多个屈曲步骤中稳定承载，进而提高了其冲击吸收能力，这在许多实际应用中具备极其重大的意义，如软机器人、可穿戴设备和安全防护材料等。因此，未来的超材料研究应更多地考虑材料的非线性特性，探索其与几何设计的结合，以实现更复杂、更高效的功能。这不仅推动了超材料的理论发展，也为其在工业应用中的批量生产提供了新契机，具有广泛的应用前景。

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