木材作为四大建筑材料中唯一的可再生资源，具有环保、轻质和高比强度等优点，近年来在结构材料领域展现出广阔的应用前景。然而，传统木结构在能量吸收和变形控制方面存在明显不足，如屈服后载荷骤降、变形不稳定等问题，限制了其在工程中的应用。
近日，东北林业大学教师范梓萱、胡英成教授团队与昆明理工大学李帅教授合作，提出了一种基于增强木材的梯度层级方形蜂窝结构。该结构通过仿生梯度设计与增强木材相结合，实现了轻质、高强、可控能量吸收与优异耐久性的多相统一。研究成果已发表于国际期刊《Structures》，题为“Design, fabrication and compressive performance of reinforced wood gradient hierarchical square honeycomb structures”。
本研究以增强木材为基材，设计了多种梯度排列方式的层级方形蜂窝结构，通过肋条嵌锁结合环氧树脂粘结工艺制备而成。结构由不同相对密度的子空间层按特定顺序堆叠而成。其中，“梯度-BMT”结构为低-中-高密度递增排列，“梯度-TMB”为高-中-低递减排列，而“常规-MMM”为各层密度均匀分布。
图1 增强木材梯度层级方形蜂窝结构子空间设计
通过实验与有限元模拟相结合的方法，系统研究了这些结构在面外压缩载荷下的力学响应、能量吸收能力与破坏模式。结果表明，梯度设计显著改善了结构的压缩性能与变形行为。在相同质量条件下，梯度-BMT结构表现出最优的综合性能：其压缩强度、峰值载荷和比能量吸收分别达到35.63 MPa、356.37 kN和18.96 J/g，较常规-MMM结构分别提升18.6%、18.6%和14.1%。此外，梯度-BMT结构在屈服后仍能保持载荷稳定上升，实现了逐层渐进式破坏，有效避免了传统蜂窝结构常见的载荷骤降与失稳变形问题。
图2 梯度层级方形蜂窝结构和常规层级方形蜂窝结构试验的面外压缩的载荷-位移曲线
有限元模拟结果与实验数据高度吻合，进一步验证了梯度设计的有效性。模拟分析表明，底部子空间的密度对整体承载能力影响最大，而顶部密度影响较小。合理设置梯度顺序可在不增加质量的前提下显著提升结构强度与能量吸收效率。
图3 梯度层级方形蜂窝结构和常规层级方形蜂窝结构面外压缩有限元模拟与试验的变形形态对比验证
除了优异的力学性能，该增强木材蜂窝结构还具备出色的耐久性。经12周腐朽试验，其质量损失率低于10%，达到国家Ⅰ级防腐标准。此外，增强木材的初始水接触角达95.78°，表现出良好的疏水性，适用于高湿环境。
图4 腐朽后木材试样的SEM图和动态水接触角
在工程应用方面，该结构可用于建筑防护层、交通工具吸能组件、高价值货物环保包装等领域，具备轻质、高强、可控吸能和环境友好等综合优势。
该研究通过将自然启发的梯度设计理念与绿色增强木材材料相结合，成功设计并制备出在压缩载荷作用下具有优异力学性能和能量吸收能力的梯度层级方形蜂窝结构。实验与仿真结果均验证了这一设计的有效性。研究结果表明，通过调整子空间密度的梯度排列顺序，可以实现对结构变形模式和能量吸收的调控。梯度-BMT结构所展现的逐层渐进式破坏行为，有效解决了传统蜂窝结构屈服后载荷骤降与变形失稳的共性难题。本研究提出的增强木材梯度层级蜂窝结构，不仅进一步丰富了仿生结构材料的设计理论，其独特的轻质高强、可控吸能及环境耐久等特性，更使其在建筑防护、交通工具吸能组件以及高端环保包装等领域展现出广阔的应用前景。
原始文献:
Zixuan Fan, Lifeng Wang, Yingcheng Hu *, Shuai Li **. Design, fabrication and compressive performance of reinforced wood gradient hierarchical square honeycomb structures. Structures 82 (2025) 110527.
原文链接
https:///10.1016/j.istruc.2025.110527