余同希
(香港科技大学，中国香港)
材料和结构的能量吸收作为一个特定的力学研究领域，是怎样产生和发展起来的呢？
第二次世界大战之中与之后，有两个工程领域迅速兴起：一个是防护结构，另一个是车辆等运载工具的碰撞安全。
二战初期，英国受到纳粹德国的频繁空袭和剧烈轰炸。英国政府迅速设计和推广了用于户外的掩蔽所Anderson shelter（图1(a)）。这种掩蔽所依照大力倡导它的时任首相John Anderson 命名，大都建于民居旁的花园中或空地上，以镀锌波纹铁板作为结构支撑，顶部以土层、植被或沙包覆盖。二战中英国先后建造了360 万个这样的掩蔽所，对保护平民生命起到了重大作用。在人口密集的居民区，缺乏空间建造户外掩蔽所，这时采用室内的掩蔽装置Morrison shelter（图1(b)）也能起到抵御空袭的作用，特别是加强了对儿童的保护。
图1 二战时期英国设计和建造的空袭掩蔽所（网络图片）Fig.1 British designed and built air raid shelters during the World War II (Web images)
二战结束后，掩蔽所的概念转变为服务于各种民用需求，典型的应用实例包括边坡滚石的防护网（图2(a)），重要设施的防护墙（图2(b)），工程、矿山、农业机械的防护结构设计，用以应对跌落的重物（falling object protective structure，FOPS，图2(c)）和车辆翻滚（rolling object protective structure，ROPS，图2(d)），等等。这些可以统称为防护结构(protective structures)。
图2 各种应用场景下的防护结构（网络图片）Fig.2 Protective structures in various application scenarios(Web images)
9·11 事件之后，为了应对可能的恐怖袭击，防护结构的研究和应用都受到了更多的重视。例如防止车辆撞击重要目标的临时防撞栏（图2(e)），银行营业部等要害机关的透明防爆橱窗（图2(f)），等等。
早在1947 年，美国空军上校J.P.Stapp 就设计和实施了载人的火箭车试验（图3(a)），以获取飞机（或其他运载工具）急剧加速（或减速）时人体反应的第一手资料。到1951 年，已进行了74 次载人试验，Stapp 上校参与最多，并多次受伤；
他个人经历的最大减速度高达38g。他们的试验结果为飞机的安全设计（如座椅朝向和安全带的设计）提供了宝贵的数据。
图3 各种运载工具的撞击试验（网络图片）Fig.3 Collision tests of various vehicles (Web images)
1950 年代之后，随着汽车数量的迅速增长和道路系统允许更高的车速，汽车碰撞事故急剧上升，车辆的碰撞安全(safety in vehicle’s collisions)引起了社会的广泛关注。基于汽车的撞车台试验(图3(b))，美国的汽车工程师相继提出了韦恩州立大学忍受度曲线（Wayne State tolerance curve）和Gadd 严重性指数（Gadd severity index,GSI）以及头部损伤判据(head injury criterion,HIC)用来评估汽车正面碰撞引起的撞击力脉冲对人体（特别是脑部）产生的伤害。
耐撞性(crashworthiness)的概念稍后也迅速扩展到其他运载工具的试验和设计，如直升飞机的坠落试验（图3(c)），以及航天器在星球表面着陆的预研等等。特别值得提到的是，配合我国高铁发展，中车青岛四方机车车辆股份有限公司在2019 年9 月成功完成了高速列车实车车辆级对撞试验，车速达到76 km/h，这是目前世界上高速列车最高速的车辆级碰撞试验。2021 年3 月，中车长春轨道客车股份有限公司又成功完成了8辆编组高速动车组碰撞试验（图3(d)），验证了高速动车组安装的碰撞吸能系统的安全有效性。
现在让我们重新回到60 多年前的时间点。很明显，在20 世纪50～60 年代，由防护结构设计和运载工具耐撞性为代表的工程领域都迫切期待应用力学能告诉他们怎样将外加的冲击碰撞能量有效地耗散或吸收掉，这种强劲的工程需求已经在殷切呼唤分析能量吸收的理论模型和工具的诞生。与此同时不应忽视的是，来自相关学科（特别是塑性力学和冲击动力学）发展的内生驱动力也起到至关重要的推动作用。
首先，塑性力学在20 世纪50 年代进入了一个灿烂复兴的时期。英国剑桥大学的R.Hill 的经典理论著作[1]率先问世；
前苏联的A.A.Il’yushin也作出了奠基性的理论贡献。美国布朗大学(Brown University)形成了以W.Prager 为首的塑性力学学派，包括D.C.Drucker,P.G.Hodge 等著名学者的研究工作[2-6]，不但从材料公设、增量理论和极限分析原理等方面重新塑造了塑性理论，而且尝试把极限分析的理论和方法推广到结构的塑性大变形分析，而这正是能量吸收领域所急切需要的理论模型和工具。
与此同时，结构冲击动力学也应运而生了。标志她诞生的是E.H.Lee 和P.S.Symonds 在1952年发表的论文[7]。这篇论文被国际理论与应用力学联合会(IUTAM)遴选为力学学科20 世纪里程碑式的论文之一，因为它不仅考虑了自由梁受中点突加载荷后结构惯性对其动态行为的影响，而且将移动铰(travelling hinge)这样一个全新的概念引入了力学模型，给冲击动力学带来了巨大的、创新性的思想跳跃（参见文献[8]）。之后，Parkes[9]获得了在质量点撞击下悬臂梁动态响应的解析解；
Symonds 和Mentel 分析了梁发生大挠度动态变形时轴力的效应[10]。可以说，这几篇经典论文开创了一个崭新的学科，由此发展出来的概念、模型和解法后来都成功地应用于分析结构能量吸收的机理和能力。
在上述工程需求和科学发展的双重背景下，先驱性的探索工作出现了。作为标志的是1960年在同一期杂志上发表的两篇关于管状结构轴向压溃的论文。Pugsley 和Macaulay 观察到，经历严重的撞击后的车厢的变形形态同轴向压溃的圆管有相似之处（图4），他们进而从圆管的轴向压溃实验中总结出适用于多瓣压溃模式（亦称为钻石压溃模式，diamond mode）的经验公式[11]
图4 管状结构的轴向压溃（网络图片）Fig.4 Axial collapse of tubular structures (Web images)
式中，P为轴向压力，Y为材料的屈服应力，D和h分别是圆管的直径和壁厚；
上式适用于D/h＞90～100 的情形。
几乎完全同时，伦敦帝国理工学院的J.M.Alexander（图5(a)）对圆管在轴压下的轴对称压溃模式（亦称手风琴模式或圆环模式，ring mode，图5(b)）作出了一个出色的刚塑性近似分析[12]。他假设圆管在轴压下发生折叠，根据图5(c)的几何关系计算在一个折叠周期内的弯曲耗能和膜力耗能，然后从总耗能极小的条件可以确定“最优”的折皱半波长，进而求得折叠模式所需的平均压溃力为。显然，文献[12]对压溃力的理论预测与文献[11]给出的经验公式并不一致，但同一时间发表两篇思路不同的论文大大激发了学术讨论的热情。
图5 Alexander 与刚塑性圆管的压溃模型[12]Fig.5 Crash model of rigid-plastic tube proposed by Alexander[12]
Alexander 模型的成功，开创了运用能量法分析刚塑性结构塑性大变形的力学行为的先河，大量后继工作都沿用了这一思路，成果累累。同时，至少有两篇论文开宗明义为Alexander revisited，即重新审视Alexander 模型。其中，Wierzbicki 等[13]提出了不同于Alexander 的二次折叠几何模型，使压溃力的变化更接近实验显示的特征。而卢国兴等新近的论文则指出应该采用瞬时力极小的条件（而不是折叠周期内耗能极小的条件）来确定折皱长度和压溃力[14]。这些工作仔细剖析了Alexander 模型和方法中存在的问题，对于能量吸收研究中的理论建模和解析方法有着深刻的影响。
在发表于1963 年的另一项先驱工作中，de Runtz 和Hodge 分析了刚塑性圆环在对径受压时的大变形（图6(a)），得到了压力P与位移δ 之间的显式关系[15]
图6 圆环的塑性大变形Fig.6 Large plastic deformation of circular rings
式中，P0为初始极限压力，D为环的直径。从极限分析原理来看，图6(a)显示的变形机构既是运动许可的，又是静力许可的，因此de Runtz 和Hodge的工作在历史上首次给出了结构大变形的刚塑性完全解，揭示了将极限分析方法拓展到结构塑性大变形分析和能量吸收研究的巨大潜力。
继上述开创性工作之后，英国学者W.Johnson（图7(a)）从冲击动力学[16]和塑性力学[17]的角度对能量耗散问题作了阐述和延伸，例如他把金属成型中的圆管翻转问题（图7(b)）同能量耗散关联起来加以研究。在他支持下，S.R.Reid（图7(c)）等在20 世纪70 年代对各种约束条件下的圆环以及圆环系统作了大量的理论和实验研究，包括各种约束条件下的圆环[18]和考虑应变硬化的理论模型[19]；
Reid 也因此被誉为“环之王”（“King of rings”）。在综述文章 [20]中，他们将受压圆环的几种理论预测的载荷-位移关系同实验作了比较（图6(b)），强调了建立考虑应变硬化的理论模型的重要性。
图7 W.Johnson 和S.R.ReidFig.7 W.Johnson and S.R.Reid
值得一提的是，早在1960 年代，我国学者也尝试采用极限分析方法对结构塑性大变形开展独立的研究。例如，在曲圣年指导下，本文作者的北京大学毕业论文(1964 年)分析了对径受拉的刚塑性圆环的大变形（图6(c)），得出了力与位移的解析关系，同国外作者研究受压圆环异曲同工，且几乎同时。遗憾的是由于“文革”中断了学术活动，这项工作于1979 年初才得以在《力学学报》发表[21]。
图8 概括了上面叙述的历史源流。可以说，到了20 世纪70 年代中期，人们愈益清晰地认识到，利用金属塑性变形原理来耗散（或即吸收）冲击加载带来的能量，对于舒缓冲击载荷对人员和结构造成的损害是一个最为有效的技术途径；
因而，结构和材料的能量吸收作为应用力学中一个新兴的研究领域已经破壳而出了。英国学者W.Johnson 和S.R.Reid 的评述文章[22-23]，对于勾画和传播这个新研究领域的研究范围、目标和方法，有着历史性的贡献。
图8 能量吸收作为新研究领域的形成Fig.8 Emerging of the new research field on energy absorption
能量吸收领域的早期研究成果，大都发表在ASME 主办的J.Appl.Mech.或W.Johnson 1960年创办的Int.J.Mech.Sci.(IJMS,图9(a))等刊物上。1983 年，一份新的国际刊物Int.J.Impact Engng.(IJIE，图9(b))创刊了，在主编Norman Jones（图9(c)）的领导下，它也迅速成为能量吸收研究的主要园地之一。其后，Norman Jones和T.Wierzbicki 在英国利物浦和美国波士顿先后主持了3 次Structural Crashworthiness Conferences (1983,1988,1993)，对于结构的耐撞性和能量吸收研究起到很大的推动作用，很多重要研究成果都是在这个系列会议上首先报告和交流的。
图9 两种相关期刊及其主编Fig.9 Two relevant journals and Norman Jones
这些刊物和会议大量发表富有创意的研究成果，在20 世纪80 年代中期掀起了能量吸收研究的第一波热潮。其间研究的对象和成果，主要聚焦于薄壁管件的能量吸收机理。除了继续讨论和改进圆管压溃模型之外，注意力更多地放在工程中广泛应用的方管上。方管轴向压溃的大变形模式（图10(a)）同圆管（图5(b)）有显著不同，美国麻省理工学院的T.Wierzbicki（图10(b)）率先给出了一个与实验观察比较符合的、包含移动铰线的坍塌机构（图10(c)）以及相应的力-位移关系[24]。之后，Abramowicz 和Jones 对此问题作了进一步的阐发[25]。
图10 方管的轴向压溃和Wierzbicki 提出的坍塌机构Fig.10 Axial crashing of square tube and collapse mechanism proposed by Wierzbicki[24]
对于方管和圆管在横向局部压入或撞击下的塑性大变形机制和能量吸收机理，最引人注目的工作是Wierzbicki 研究组提出的薄壁圆管承受一个楔形体横向局部压入的模型（图11(a)）[26]，及Kecman 提出的薄壁方管在弯曲下发生局部坍塌的模型（图11(b)）[27]。基于实验观察的这些变形机构将塑性变形集中于几条可移行的塑性铰线，它们的能量耗散和载荷-位移关系都能通过相对简单的推导和计算得到。此外，轴压下的管件在大变形过程中亦可能同时发生断裂，引致裂纹传播。典型问题的模型和分析见文献[28-29]。
图11 横向局部坍塌的管件Fig.11 Tubes with local transverse collapse
回顾这段历史我们看到，能量吸收的研究始自20 世纪60 年代，早期主要由英国学者领跑；
80 年代美国学者进入，英美学者共同领跑，研究对象以金属管件和薄壁结构为主，能量吸收的机理主要是结构的塑性大变形。随着改革开放后首批访问学者和博士们在海外学成归国，这个新研究领域在80 年代中期被系统地介绍到中国来，很快激起了国内同行的高度兴趣。本文作者在1985 年发表在《力学与实践》上的文章[30]及次年在《力学进展》上的文章[31]（图12），是最先在国内介绍这个新兴研究领域的中文文献；
后面这篇文章在2022 年获得了《力学进展》50 周年颁发的“影响力提升优秀贡献奖”。
图12 1985—1986 年在国内介绍能量吸收研究的文章Fig.12 Two articles which promoted energy absorption studies in China (1985—1986)
到了20 世纪90 年代，一个显著的趋势是将能量吸收的概念和方法融入冲击动力学。由Jones[32]和 Stronge 与本文作者[33]分别撰写的两部结构冲击动力学专著（图13(a),13(b)）都包含了能量转换的分析。另有研究表明[34-35]，在冲击载荷作用下的刚塑性结构响应中弹性效应引起的“误差”同“能量比”（塑性耗能与结构所能储存的最大弹性能之比）成反比。同时，基于能量耗散率得出的“膜力因子”(membrane factor)[36-37]被证明为在梁、板大变形中计入膜力效应的强有力的解析工具。这些都显示了分析能量的转化和耗散的重要性。
图13 1980—1990 年代的进展（部分）Fig.13 Part reflections of the progress in 1980—90s
存在一类对加载的应变率很敏感的能量吸收结构（称为Type II 结构，图13(c)），这个新颖的概念是剑桥大学的C.R.Calladine（图13(d)）在1984 年率先提出的[38]。其后，本领域的几个重要研究组都深入研究了这类结构对应变率敏感的内因和机理[39-41]。
1980—1990 年代，由于海洋石油及核电站等能源工业迅速崛起，提出了很多安全防护的问题，于是与能量吸收相关的应用研究热点转向管道和船舶海洋结构的失效，包括塑性大变形、屈曲的产生和传播，以及减低灾害的能量吸收装置的设计等。以船舶底部触礁搁浅为背景，G.Lu（卢国兴）和C.R.Calladine 开创性地研究了楔形块切入钢板（图14(a)）的机理[42]。海底管道的屈曲传播（图14(b)）是对深海石油输送管道的严重威胁，对此德克萨斯州立大学、麻省理工学院和剑桥大学的几个高水平的研究组各自作出了深入的分析[43-45]。针对核电站中输送高温高压流体的管道有可能发生断裂及射流引起的管道甩动（图14(c)），英国曼彻斯特理工大学(UMIST)Reid 领导的研究组进行了多年的实验研究、理论建模和数值仿真[46]。
图14 船舶海洋结构和管道的失效Fig.14 Failure of ship structure and pipes
多胞材料(cellular materials)广泛存在于自然界和生物组织中；
继蜂窝材料和泡沫塑料之后，泡沫金属（图15(a)）在20 世纪后期也进入了工程应用。由于单位体积中有很大比例是空隙，使得多胞材料不但比重轻，而且具有很高的比刚度、比强度和优异的能量吸收性能，因而迅速吸引了材料和力学科研人员的注意。1988 年出版的Gibson（图15(b)）和Ashby 的专著[47]（1997 年出版第二版，图15(c)）标志了这个研究领域的崛起。
图15 多胞材料的兴盛Fig.15 Prosperous studies of cellular materials
除了这部专著以外，早期的代表性工作[48-49]也有深远影响。2000 年，Ashby 等多人编著的《Metal Foams: A Design Guide》[50]（图15(d)）出版，旨在拉近理论研究与材料设计的距离。同年，剑桥大学的N.Fleck（图15(e)）和V.S.Deshpande 对Alporas 和Duocel 两类泡沫铝材料进行了系统的压缩实验，基于它们的屈服和硬化行为数据总结为各向同性的本构关系[51]。由于将泡沫铝均匀化后的本构关系易于在数值仿真中运用，该文获得了广泛的引用。其后，他们对格栅材料（图15(f)）也作出了开创性的工作[52]。
G.Lu（卢国兴）和T.X.Yu（余同希）（图16(a)）共同编著的《Energy Absorption of Structures and Materials》[53]于2003 年出版，这是世界上第一部关于材料与结构的能量吸收的专著（图16(b)）。它的中译本2006 年由化学工业出版社出版[54]（图16(c)），增订的新版2019年由科学出版社出版[55]（图16(d)）。这部著作的广泛传播，对于吸引更多的年轻学者和研究生进入能量吸收研究领域起到了入门导引的作用。
图16 世界上第一部关于材料与结构的能量吸收的专著Fig.16 The first monograph in the world on energy absorption
对能量吸收的第二波研究热潮的另一个亮点是揭示了多胞材料在强动载荷作用下的压实波(compact wave)的产生和传播规律。由于多胞材料的应力应变曲线普遍具有上凹的特点，在强冲击载荷下将沿Rayleigh 线形成压实波（图17(a)），它可以看成是固体中的冲击波(shock wave)的一种类型。这个观念最早是由S.R.Reid（图7(c)）1997 年在对冲击作用下木材的动力行为的研究中[56]提出的，后来他同P.J.Tan 等在泡沫铝的动态压缩的研究中进一步论证了压实波的传播以及与此相关的对平台应力的动力增强[57]。
图17 多胞材料中的压实波研究Fig.17 Compact waves in cellular materials
在21 世纪初的第二波研究热潮中，我国学者和海外华人学者开始活跃于这个领域，并逐渐成为世界上这一领域研究的主力军。D.Ruan（阮冬）和G.Lu 等对给定速度的冲击下的蜂窝材料进行了有限元模拟，发现大变形图案随冲击速度而变化；
当冲击速度超过一定阈值时，变形的局部化以压实波的形式从加载端向远端传播（图17(b)）[58]。虞吉林和郑志军等采用2D 和3D 的Voronoi 技术形成胞元网格，进而以有限元模拟研究了金属泡沫材料的动态压缩行为，包括高速压缩下形成压实波的过程[59-60]。C.J.Shen（沈昌建）等发现当梯度泡沫杆受到强冲击时，可能产生两个压实波从杆的两端相向而行[61]。胡玲玲等提出了创造性的思路，从蜂窝材料代表性单元受压的有限元模拟中提取塑性铰位置及各个胞壁运动过程的信息，成功得到了动力增强同材料惯性和压实波速度之间的解析关系[62]。以上几篇文章率先采用的模型和方法都启发了大量工作后继跟随。
研究者们也注意到将薄壁构件同多胞材料结合起来制成的夹芯构件（如夹芯板、夹芯管等）可能具备优异的能量吸收性能。这方面可以举出[63-65]为代表性的论文。此外，对“传统的”薄壁构件的研究也不断引入新的思路，限于本文的篇幅，仅举以下广为引用的工作为例：薄壁圆管在轴压下失效的模式分区图[66]，多胞的薄壁结构[67]，采用屈曲发生器来降低初始载荷峰值[68]，功能梯度结构的优化[69]，等等。
3D 打印技术的兴起，大大推动了对具有各式各样新奇性能的超材料的研究，例如内凹(reentrant)蜂窝材料，负泊松比材料或拉胀(auxetic)材料，过滤或干预声波或弹性波传播的超材料等；
这些材料的能量吸收表现也受到实验或数值仿真的检验。与此相关的文章数量非常多，可以从已发表的综述（见第5 节）中获取信息，此处不再详述。近几年来，折纸(origami)的概念被成功地引进能量吸收结构和超材料，先驱工作有牛津大学由衷研究组对带有折纸图案的方管的能量吸收机理的研究[70]，大连理工大学周才华、王博等对折纸式的碰撞吸能盒(crash box)的研究[71]，澳大利亚斯文本技术大学(Swinburne University of Technology)卢国兴研究组对弧形三浦结构[72]及折纸超材料[73]的大变形分析等。
近10 年来，同能量吸收相关的期刊论文数量急剧增加，研究课题也越来越丰富多彩。在相关联的一些期刊上，近几年来纷纷刊登了文献综述文章，反映出对这个迅速发展的研究领域的关注。继2017 年刊登的关于结构耐撞性的两篇综述文章[74-75]之后，据不完全统计，在2020 年至今的3年多期间，已经刊载了10 余篇相关的综述文章，例如文献[76-84]。
参照这些综述文章，图18 尝试从4 个方面列出了近10 年能量吸收研究的一些主要热点。当然，这个清单是不完全的，不少其他研究课题还未能包括在内。
图18 近10 年能量吸收研究的一些主要热点Fig.18 Some hot spots in energy absorption studies during the last 10 years
下面对相关论文在各个期刊上的分布以及中国作者的占比来作一些定量的数据分析。首先，选取文献[79]作为示例。这篇发表于2022 年的综述文章引用了404 篇文献，历史跨度长，对能量吸收各个子领域覆盖也比较全面，因而分析它的引用数据有较好的代表性。
表1 列出了综述文章[79]所引用的与能量吸收研究相关的论文分布。
表1 被综述文章[79]引用的与能量吸收研究相关的论文分布Table 1 Distribution of journal papers on energy absorption cited in Ref.[79]
引用这3 个刊物的论文占该综述文章总引用数的比例为 145/404=36%；
因而至少在近10年内，Thin-walled Structures(TWS),Int JImpact Engineering(IJIE)和Composite Structures(CS)可以被认为是发表与能量吸收研究相关论文最为集中的3 种代表性国际期刊（图19）。
图19 近年来发表与能量吸收研究相关论文相当集中的3种代表性国际期刊Fig.19 Three representative journals which published significant amount of papers related to energy absorption in recent years
为了了解这些代表性刊物究竟发表了多少与能量吸收研究相关的论文，本文作者又对近半年至1 年这3 种期刊的文章作了统计。在传统上，TWS期刊主要关注各种薄壁构件的强度、刚度、稳定性和连接等课题，IJIE期刊覆盖材料和结构冲击工程中的各个侧面，CS期刊则是复合材料结构和各种非金属结构的出版园地；
而近年来，能量吸收研究在这3 种刊物发表的论文中的占比都不断在提升。表2 所示的结果表明，TWS和IJIE发表的论文中，与能量吸收研究相关的论文均为11%左右，而在CS的论文占比也达到7%。
表2 3 种代表性国际刊物近来发表论文的统计数据（EA=能量吸收）Table 2 Statistics on the papers recently published in three representative international journals (EA=Energy Absorption)
根据这些数据外推，如果以1 年的跨度计，这3 种代表性刊物每年大约发表240 篇与能量吸收研究相关的论文，如表2 所示。显而易见，许多相关文章还大量发表在这3 种之外的期刊，例如Int.J.Mech.Sci.,Composite B,Engineering Structures,J.Mech.Phys.Solids,Int.J.Solids Struct.,J.Appl.Mech.,Int.J.Crashworthiness等力学刊物，以及散见于材料、机械、航空航天、物理、科学进展等不同领域的刊物，加起来已经见到的至少有30 种国际和国内的期刊发表过相关文章，共同见证了以能量吸收为主题的期刊文献近年来的迅速增长。初步估计，世界上每年发表的相关论文总数约为700～800 篇。
另一个突出的现象是，在这些文章的作者中，我国学者和海外华人学者所占的比例很高。如表1 所示，在被综述文章[79]引用的与能量吸收研究相关的论文（发表于2022 年之前）中，中国作者文章的占比为37%；
而在表2 统计的3 种代表性刊物发表的与能量吸收研究相关的论文中，中国作者文章的占比则高达70%～78%。这反映了中国作者发文的总量在近几年不断提升，同时也可能同中国作者普遍重视期刊的影响因子有关（这3 种代表性刊物都处于中国科学院刊物分类的一区）。初步估计，中国作者每年发表的与能量吸收研究相关的论文约占世界总量的一半，甚至更多，每年的总数约为400 篇，作者来自至少50 个大学和研究所。
需要说明，上述数据统计只是概略的。首先，一篇论文同能量吸收研究相关性有多大才能被点算为“相关论文”？这里显然存在模糊性和主观性；
其次，由于国际合作广泛存在，某篇论文是否为“中国作者”所作，必然也存在争议和模糊性。总之，上述数据分析仅供读者参考。
根据近年来的研究热点和相邻领域的发展趋势，本文作者预测今后若干年对能量吸收的研究潮流可以大体概括为以下5 个方向。
已有许多综述文章，如[74,77-79,81,83]，将有关的多胞材料和超材料按照构形、性能或尺度分类并概括了这些材料的力学行为，包括图18 所列出的内凹(re-entrant)蜂窝、负泊松比及拉胀(auxetic)材料等等。
3D 打印等增材制造方法的迅速发展为制备几何上十分复杂的、具有精细结构的各种超材料提供了前所未有的可能性（图20(a)）。由于先进制造方法的支持与推动以及材料、物理领域学者的积极参与，超材料的热度显然还将持续一段时期，其研发的重点将会放在同时具有轻质、滤波、隔热和导电等理想特性的多功能超材料。
图20 形形色色的超材料Fig.20 A variety of metamaterials
在形形色色的多胞材料和超材料中，在力学界里能够引起重视的，首先是那些具有非同寻常的特异力学特性的材料；
而最吸引人们眼球的往往是那些具有新颖构思或新颖构型的超材料，如图20(b)展示的多层手性拓扑超材料[85]，据报导它具有较好的能量吸收能力，同时又能自行恢复形状。然而，能够真正获得应用的特异多胞材料和超材料不仅要性能优异，而且还能以一定规模制造并保持性能稳定。
此外，还应该注意到，由于材料本身性质和构型所限制，大多数超材料是在弹性变形范围内实现预期功能的，只有少数材料能够经受非弹性大变形，适合于同能量吸收相关的应用场景。
对生物多胞固体材料，文献[86]奠定了一个很好的基础，它作出的性能概览（图21(a)）为这一领域的研究提供了一个导航图。另外，北京航空航天大学杨嘉陵研究组经过多年的潜心研究，作出的综述[87]总结了动物进化的抗冲击策略及仿生机理，引述了关于生物结构抗冲击机理的一些新颖观念。
图21 生物多胞与仿生材料Fig.21 Biological cellular solids and bio-inspired materials
近20 年来，“受生物启发”(bio-inspired)已经成为许多文章的关键词和卖点。多篇综述文章，如文献[76,80,82,88-89]等，都集中阐发了受到生物启发如何改进提高材料的能量吸收性能，以及如何研发高性能的仿生材料。以综述文章[80]为例，它并非将相关文献按一定逻辑罗列在一起，而是从设计（管状、梯度、层状、层级、螺旋），失效机制（屈曲、分层、开裂），以及分析建模方法（从宏观、细观到微观）等几个侧面来剖析如何受生物启发来开发新型材料与结构的思路（图21(b)）；
由此出发，还进一步对受生物启发的机构单元的比吸能（即单位重量能够吸收的能量）作出了比较（图21(c)）。
早期的能量吸收研究基本上限于金属材料和结构，这是因为它们具有良好的塑性和韧性，能够在不发生断裂的条件下以不可恢复的变形吸收大量的能量。另一方面，近几十年来，各种类型的复合材料有了长足的发展，并且由于比强度和比模量高、抗腐蚀性好而在航空、航天、海洋结构等工程领域获得日益广泛的应用。但是，大多数复合材料几乎不具备塑性变形的能力，因而在过载或冲击下复合材料结构极易损伤或失效。因此，如何评估和改进复合材料及其结构的能量吸收能力，是对复合材料科学和技术的严峻挑战。
复合材料的门类繁多，组分和构型可以人为设计，同时许多种类复合材料的能量吸收行为研究都还没有系统进行，所以这是一片广袤的、亟待开发的研究领域。的确，开发这个领域存在许多困难，例如：（1）复合材料的试件制作、实验观测，以及数值仿真都比金属试件困难得多；
（2）复合材料的能量吸收机理与金属的塑性耗散不同，涉及多种类型和尺度的、大量的界面破裂和基体损伤等行为，现象复杂，难于建立理论模型；
（3）材料参数很多，需要更好的数据处理手段和设计优化算法。
为了克服这些研究中的困难，迫切需要我们给予更多的重视、投入更多的力量。这些研究中涉及大量的数据，也许同生物材料的研究类似，正是数据科学、机器学习和人工智能可以大有用武之地的场合。
从历史上来看，防护结构和车辆的耐撞性等工程领域是催产能量吸收研究的主要动力。无论是防空袭的掩蔽所，或是车辆上的保险杠和碰撞吸能盒，都是与具体应用场景和受载情况密不可分的能量吸收装置。
在概述近10 年能量吸收研究的一些主要热点时（图18），我们也给出了特定应用场景的3 个典型示例，即：电动车和电池组；
钢筋混凝土的防护结构；
航天结构受到空间碎片的超高速撞击。由于这些研究的走向同所应用的工程领域的新需求密切相关，所以大多数有关文章都发表在专业刊物上。例如，对于电动车和电池组在机械加载下的安全性和能量吸收机理，可以参考综述文章[90-92]所作的系统总结。
上面介绍的示例，大都限于冲击速度较低和外加能量不太大的民用工程环境。实际上，能量吸收研究的另一大类应用寓于兵器和国防工程之中，例如弹体对靶体的侵彻和穿透（包括上面提到的航天结构受到空间碎片的超高速撞击），结构物在爆炸载荷下的动力响应和破坏等等，无不涉及能量的转换和耗散。文献[93]综述了轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为的研究进展，就是新近的一例。
对材料和结构能量吸收机理的种种研究最终必须落实到材料设计和结构优化上去。在这方面，以下几个要素值得一提。
(1)受生物启发(bio-inspired)的设计。它提供了一个重要的思路，也就是可以从自然系统中寻找设计吸能结构和材料的灵感。前面提到的一系列研究（如图21 所示）提供了将生物系统转化为工程应用的有效能量吸收机制的范例。
(2)3D 打印及其他增材制造技术。该技术为设计和制造具有优化能量吸收能力的超材料提供了广阔的机会。以新型非金属材料为母材、创建复杂几何构形的增材制造途径，为开发轻型和高效的能量吸收系统创造了更大的空间。
(3)智能材料和传感器。将智能材料和传感器集成到能量吸收结构中可以实现能量吸收性能的主动控制和实时监测。沿着这个方向，形状记忆合金、压电材料和磁致伸缩材料等材料都已开始用于开发各种自适应系统，以求在多变的外载条件下都具有良好表现。
(4)环境与能源问题。为应对全球面临的环境与能源问题，必须注意开发应用于能量吸收的可持续和可回收材料。在保持或增强能量吸收性能的同时，需要探索实际可行的可持续方案，最大限度地减少对环境的影响和制造过程的能源消耗。
为了综合考虑并实现以上要素的要求，显然不能简单地沿用传统的遍历和试错的方法，而是应该根据应用场景的需求，发展先进的优化算法，运用人工智能技术，通过选择材料种类和结构构型，达到增强材料和结构的能量吸收能力，同时减轻重量及降低成本的终极目标。
在新材料的开发、创新设计以及先进的计算和实验技术的推动下，我们对结构和材料的能量吸收机理一定会认识得越来越深刻。在坚实的科学理论基础上，具有优异能量吸收能力的材料设计和结构优化一定能够继续向前发展。这些进步必将为提高汽车、交通、航空航天和土木工程等各种应用的安全性、效率和可持续性作出贡献。
在我国，自2008 年由余同希、王礼立和杨黎明在宁波大学发起，已经先后举办过7 届动态能量吸收国际研讨会 (International Symposium on Dynamic Energy Absorption，IDEAS)；
与能量吸收相关的课题也在中国力学学会组织的学术活动中经常获得交流的机会。在交流研究成果的同时，通过相互之间的质疑与讨论，碰撞出新的思想火花，产生出新的思路，提出了更多需要深入探索的课题。我们相信，只要树立起明晰的研究目标，不断拓展研究的高度和深度，由我们中国学者组成的研究群体在这个领域的研究中一定可以继续领跑全球。
扩展阅读文章
推荐阅读文章
恒微文秘网 https://www.sc-bjx.com Copyright © 2015-2024 . 恒微文秘网 版权所有
Powered by 恒微文秘网 © All Rights Reserved. 备案号：蜀ICP备15013507号-1