单材料与双材料点阵结构的阻尼性能优化及非比例阻尼模型研究

本研究针对点阵结构轻量化设计中阻尼性能评估的关键问题，系统研究了金属-环氧树脂双材料点阵结构的振动耗能机制。研究人员通过实验与仿真结合，创新性地采用非比例阻尼模型(Non-proportional damping)分析双材料点阵，提出基于均质化方法的等效复模量计算体系，并开发了原位环氧树脂损耗因子的逆向求解方法。研究证实填充环氧树脂可同时保持结构刚度并提升减振效果，为航空航天等领域轻量化减振结构设计提供了新思路。

　　

在航空航天、轨道交通等高端装备领域，轻量化与减振降噪始终是结构设计的核心矛盾。传统金属点阵结构(Lattice structure)虽能实现显著减重，但其固有阻尼特性(Damping property)往往难以满足动态工况需求。目前主要通过增大结构质量或附加阻尼器来改善振动抑制效果，这与轻量化设计目标背道而驰。Haotian Wang团队在《Materials》发表的研究，开创性地提出金属-聚合物复合点阵的协同优化方案。

研究采用电子束熔融(EBM)技术制备Ti-6Al-4V金属骨架，通过真空灌注将环氧树脂填充至点阵孔隙，构建双相阻尼体系。关键创新在于：1）建立非比例阻尼模型突破传统比例阻尼假设的局限；2）基于均质化理论(Homogenization method)推导等效复模量(Complex modulus)计算公式；3）开发逆向算法求解填充环氧树脂的实际损耗因子(Loss factor)。实验测试显示，双材料点阵在200-800Hz频段振动衰减率较单金属结构提升47%，而质量仅增加12%。

【试样制备】

设计7种不同胞元拓扑的点阵结构，包括体心立方(BCC)、面心立方(FCC)及其混合变体。通过选择性激光熔化(SLM)制备金属骨架后，采用压力辅助灌注确保环氧树脂完全填充微米级孔隙。

【阻尼模型构建】

针对金属-环氧树脂的显著材料差异，放弃传统Rayleigh阻尼假设，建立考虑界面滑移效应的非比例阻尼矩阵。通过模态应变能法将离散点阵转化为连续体等效模型。

【逆向参数识别】

基于频响函数测试数据，构建目标优化函数逆向求解环氧树脂的损耗因子η_epoxy。结果显示填充后η_epoxy达0.132±0.008，较块体材料提高22%，证实界面摩擦增强耗能机制。

【局部阻尼验证】

在悬臂梁关键节点处植入阻尼点阵模块，实验测得共振峰值降低9.8dB，与仿真误差<15%。该设计为局部强化减振提供了新范式。

结论表明，金属骨架保障整体刚度(G_eff=2.4GPa)的同时，环氧树脂相通过粘弹性变形(Viscoelastic deformation)和界面摩擦实现宽频耗能。该研究突破传统均质材料阻尼优化瓶颈，提出的等效建模方法可扩展至其他多相复合材料体系。对于航空发动机支架等需同时满足轻量化与振动抑制的部件，双材料点阵展现出显著工程应用价值。