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Huang M, Yang B, Wang Y, et al. Quasi-static compression energy absorption characteristics of bamboo-inspired heterogeneous hybrid structure with CFRP/SLM-fabricated AlSi10Mg lattice[J]. Thin-Walled Structures, 2026, 115160.
Huang, Mian, et al. "Quasi-static compression energy absorption characteristics of bamboo-inspired heterogeneous hybrid structure with CFRP/SLM-fabricated AlSi10Mg lattice." Thin-Walled Structures (2026): 115160. (): .
Huang, M., Yang, B., Wang, Y., Li, C., Zhou, S., Chen, D., & Xiao, S. (2026). Quasi-static compression energy absorption characteristics of bamboo-inspired heterogeneous hybrid structure with CFRP/SLM-fabricated AlSi10Mg lattice. Thin-Walled Structures, 115160., .
背景简介
随着中国轨道交通向400 km/h速度等级发展，列车耐撞性吸能组件的能量吸收需求大幅增加，提升极端工况下的被动安全性能成为保护乘客生命财产的最后一道关键防线。然而，受气动头型设计限制，吸能组件面临能量吸收需求指数增长与安装空间严格受限之间的核心矛盾。碳纤维增强塑料（CFRP）薄壁管具有优异的比强度和比模量，但脆性断裂特征导致载荷响应不稳定；选区激光熔化（SLM）制备的金属点阵结构可通过拓扑优化实现可定制的耗散特性，但单独使用时存在应力波动大、节点过早断裂等问题。受竹子“外密内疏”梯度截面特征启发，本研究提出了一种竹启仿生异质混杂吸能结构：外层CFRP薄壁管模拟竹青承担外部载荷，内层SLM制备的AlSi10Mg合金点阵结构模拟竹肉和竹黄提供柔性缓冲，通过内外层协同设计实现能量吸收性能的突破（如图1）。
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图1 CFRP/SLM AlSi10Mg仿竹异质混杂结构设计
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图2 样品制备与试验
成果介绍
（1）成型完整性是确保吸能结构力学性能稳定和数据可重复性的核心前提。研究团队从重量一致性与密度、几何精度与形态偏差两个维度系统评估了各组分的成型质量。CFRP管质量波动范围仅为41.12~43.08 g，反映了内模法制备工艺的良好稳定性；铝合金内填结构质量随杆径增大呈线性增长，CBCC系列从53.15 g增至128.32 g，CFCC系列从53.86 g增至143.08 g，内填结构占总质量比例由19.17%提升至70.43%。通过三维扫描与设计模型对比，各内填结构主体区域偏差均在±0.1 mm以内（绿色区域占比≥95%），仅底部存在少量黄色区域，表明SLM成型精度良好，细胞拓扑设计未引入额外成型误差（图3）。
.png) 图3 内部填充结构成型质量云图
（2）准静态压缩试验揭示了混杂结构显著的协同力学响应。如图4所示，所有混杂结构的力-位移曲线均可分为线性弹性阶段和平台应力阶段。在线性弹性阶段，载荷随位移近似线性增长，内外层协同承载，该阶段持续时间与内填点阵杆径正相关；进入平台应力阶段后，单一铝合金点阵结构出现严重的锯齿状波动和突加载荷下降，而混杂结构通过外层CFRP的 circumferential约束有效抑制了内填点阵的过早失稳，平台段载荷稳定性显著优化。如图5所示，混杂结构的总能量吸收（EA）显著超越理论叠加值：HS_FC_3（CFCC单元，杆径3 mm）的EA提升幅度达39.43%，比吸能（SEA）达到39.55 J/g，较纯CFRP管提升7.15%，突破了单一材料结构在轻量化与高吸能之间的性能瓶颈。压溃力效率（CFE）分析表明，小杆径结构（CFE>0.75）适用于乘员冲击保护场景，中大杆径结构适用于大载荷碰撞场景。
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图4 混合结构能量吸收过程中的力-位移曲线
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图5 混合结构的能量吸收性能及设计分析
（3）多尺度变形模式分析揭示了混杂结构能量耗散的本质机制。宏观变形观察（图6）表明，单一内填结构普遍呈现非渐进失效特征，伴随多区域同步破坏；而在混杂结构中，外层CFRP的约束效应有效抑制了内填材料的过早失稳，实现了渐进式压溃（图7）。DIC应变场分析（图8）进一步量化了混杂结构对应变分布的优化效果：纯CFRP管应变呈现明显的局部集中特征，而HS_BC系列由于CBCC单元的屈曲变形诱导了外层CFRP在x方向交替正负应变分布，HS_FC系列则因CFCC单元更高的杆密度提供了更强的横向约束，x方向无明显膨胀变形，y方向应变集中区域更窄，应变传递更加平稳。断后形貌分析（图9）显示，随杆径增大，混杂结构失效模式由弥散网状断裂逐步演变为定向卷曲和局部分层断裂，内填结构的残余形态（折叠、互锁、分层）直接映射了其能量耗散路径和协同支撑效应。
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图6 单一内部填充结构能量吸收过程中的宏观变形
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图7 纯CFRP结构和混合内部填充结构能量吸收过程中的宏观变形
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图8 CFRP和混合结构的应变对比
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图9 内部填充结构变形
（4）混杂结构增强的能量吸收性能源于CFRP外层与SLM制备的AlSi10Mg点阵内填结构之间跨尺度的协同效应，实现了“1+1>2”的性能优化。在宏观尺度上，CFRP外层为内填点阵提供周向约束，有效抑制其突发断裂和侧向偏移失稳，显著延长了平台耗能阶段；同时，内填点阵为CFRP外层提供连续的横向支撑和变形诱导，大幅改变了CFRP的失效模式，使分层断裂和纤维拔出等耗能机制得以充分激活。在微观尺度上，断后形貌证据揭示了与杆径相关的distinct界面相互作用模式：小杆径结构以摩擦为主导耗能机制，CFRP内表面呈现明显划痕和树脂磨蚀痕迹（图10(c)）；大杆径结构则表现为机械互锁机制，铝合金残余物嵌入CFRP层并伴随裂纹网络扩展（图10(e)-(f)）。这些微观相互作用模式有效增加了能量耗散路径数量，从而显著提升了总能量吸收。
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图10 混合结构的SEM图像
致谢
本文获国家自然科学基金（52375159, 52305284）的支持，本文通讯作者：杨冰（西南交通大学）。
本期小编 杨 冰（整理）
董乃健 （发布）
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