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摘要：为克服加工工艺和设备的限制，实现机械超材料大尺寸成形，该研究开发了6种不同的离散装配超材料，构建了模块化和可重构结构系统。离散装配是将完整超材料单胞离散为若干个可采用传统制备工艺大批量制备的面块，再采用连接件和紧固件装配成形的低成本、高度可重复的成形工艺。文章详细描述了离散装配机械超材料离散和装配过程，有限元仿真、样件制备和实验表征。结果表明所设计的离散装配机械超材料具有同一体化超材料高度近似的连续性力学性能，表现出高刚度、抗压缩、负泊松比、扭转等优异的机械特性。此外，2个典型应用还表明，该研究设计的离散装配超材料为跨属性超材料装配，多材料离散组件装配提供了可实现性。离散装配策略发挥了增量式装配的优势，消除了加工效率、加工成本、成形规模的限制，提供了传统制造技术无法实现的扩展性和功能性。

1、研究背景及目的

机械超材料是超材料的一个重要分支，具备超常规或反常规力学性能，如极高的强度-重量比、高比模量、负泊松比，负热膨胀等特性。机械超材料大多为点阵结构形式，其次为板格结构和折纸结构等。点阵超材料是将梁、杆等，通过人为特殊设计组成微结构单元，再进行周期性阵列获得的，具有极大的可调控设计空间和设计自由度。但点阵机械超材料几何构型复杂，其制备极度依赖于增材制造（AM）技术。因此，AM工艺导致的结构成形质量、成本及尺寸等问题极大地限制了其功能特性和工程应用速度。

AM技术因其逐层逐点成形的特点，在复杂结构制备方面具有显著的优势，如FDM，SLS，SLM，SLA等，但上述加工工艺在结构成形精度、效率、尺寸等方面差异性较大。如基于FDM的3D打印技术具有工艺简单、成本低的特点，但所制备样品表面精度较差，还需考虑自支撑结构设计以及支撑去除等问题。SLS、SLM、SLA工艺成形效率和成形质量较高，但存在成形材料的各向异性、热翘曲等问题，且具有高昂的加工成本。此外，还有适用于高精度和高质量加工的LAPuSL和DLW工艺，能够实现微米甚至纳米级别的微结构超材料打印。在成形尺寸方面主要受加工设备本身尺寸的限制，因此，在大尺寸结构成形方面也有一些研究工作。如米级FDM加工平台、大型沉积机以及协同移动机器人已被研发出来用以实现大规模打印作业。但大型机器设备的性能、尺寸、成本之间存在复杂的耦合关系。如何高质量、低成本实现宏观（>1 m）机械超材料的制备仍然面临着严峻的挑战。

因此，有必要研究机械超构材料拓扑结构创成与离散设计理论，揭示离散装配机械超构材料功能-构型耦合规律，以进一步实现异构跨属性离散装配机械超构材料系统性能调控，突破离散装配机械超构材料设计-制造-应用一体化技术，推动多功能、大批量、大尺寸机械超构材料的工程应用。

2、试验方法

离散设计与可逆装配是寻求现有加工工艺和成型尺寸、效率、成本等复杂关系的解耦的有效手段。将超材料离散后，获得构型简单的组件，再采用注塑、冲压等传统的加工工艺进行低成本、大批量制备。模块化的小尺寸、大批量零件采用机械的连接方式进行装配，进而获得大规模的超材料或结构。离散组件也可采用AM方法进行生产，且面块或连接件在打印过程中不需要添加支撑或考虑其他制造约束问题，能够保证较高的成型质量。

以Truncated cube点阵机械超材料为例，一个完整的超材料元胞由6个面块和8个角码构成，并通过24个紧固件组进行机械连接。所设计的离散装配超材料结构采用统一的面块、连接件和紧固件进行装配，展现出优良的可逆装配性和互换性。得益于这种增量式装配特性，只需采用不同长度的紧固件，即可实现多个超材料元胞的装配，消除了传统制造工艺和设备尺寸的限制，可在低成本前提下实现任意尺寸和形状丰富的大规模机械超材料的制备。

该文章研究了包括高体积模量、剪切模量、负泊松比以及压-扭耦合超材料等6种类型的超材料离散设计与组装工艺，并开展相应的仿真模拟与物理实验。开发了不同构型超材料胞元的离散-装配工艺，得到了多样化的且具有可行性的大规模成形工艺。通过仿真与实验对完整超材料结构和离散装配超材料结构的力学性能进行了系统性表征，揭示了材料结构力学响应与破坏规律。

3、结果

（1）开发了6种类型的超材料离散设计与组装工艺，相应的离散装配超材料展现出来较好的组装效果，易于实现厘米级以及米级的大规模点阵结构制造成形；

（2）所设计的离散装配机械超材料呈现出了高刚度、抗压缩、负泊松比、扭转等优异的机械特性；

（3）所设计的离散装配机械超材料也具有同一体化超材料结构高度近似的连续性力学性能，在高阶规模组装结构下，能实现接近初始完整超材料结构力学性能的80%以上。

（4）给出了2类大规模机械超材料的典型应用，进一步说明了离散装配策略在大尺寸、跨属性以及多材料机械超材料成形上的优势，也充分说明了离散装配能够提供传统制造技术无法实现的扩展性和功能性。

4、结论

（1）该研究提出了一种新颖的可离散组装力学超材料（MMs）设计范式，通过采用有限数量的模块化、批量化部件，突破了传统整体式MMs的尺度限制，使得具备复杂力学功能的宏观结构构建成为可能。

（2）系统设计、制造并测试了6种不同类型的可离散组装MMs。实验结果与有限元模拟均验证了其优异的力学性能，包括高刚度、抗压性、负泊松比效应和手性特征，性能表现与整体式MMs高度一致。

（3）模块化设计策略支持高效的结构重构与多材料集成。通过两个典型的大尺度应用场景验证了该方法在构建具有异质性和定制功能的结构体系方面的有效性。

（4）离散组装方法可良好适配数字化设计与制造流程，具有良好的可扩展性、可维护性与适应性，为大尺度MMs在工程实践中的应用提供了解决路径。

5、前景与应用

离散装配超材料（Discretely Assembled Mechanical Metamaterials, DAMMs）以模块化、可重构、可规模化的设计理念，为传统整体式超材料在实际工程中的应用提供了全新路径。相比依赖高精度增材制造的一体成型结构，DAMMs能够利用批量生产的标准部件，通过机械连接方式快速组装成具有目标性能的宏观结构，显著提升了制造效率、尺寸可扩展性与维修便利性。

在实际应用层面，DAMMs具备高度灵活性和功能定制能力，特别适用于对结构尺寸、材料组合与局部性能有不同需求的复杂系统。其在航空航天中的轻质结构、智能构件中的可变形机制、软体机器人中的柔顺驱动模块、建筑与交通中的能量吸收组件等领域均具有广泛应用前景。同时，DAMMs的异质集成能力也为多功能结构设计（如承载与吸能一体化）提供了新思路。

未来，结合智能算法优化设计、自动化装配技术与材料功能梯度控制，离散装配超材料有望成为面向下一代高性能结构系统的关键支撑技术，推动超材料从“可制造”向“可工程化”迈进。

图1 六种离散组装机械超材料结构类型：(A)截角立方体、(B)八面体、(C)截角八面体、(D)高体积模量结构、(E)拉胀材料结构、(F)手性结构。

图2 离散部件与离散组装机械超材料样本。(A)面板块、连接件、螺栓及机械超材料单胞结构。(B–G) 3×3×3点阵结构机械超材料样本。

 （3）

图3 边界条件示意图：(A)用于计算图1中前四种机械超材料的有效弹性模量；(B)用于计算拉胀机械超材料的负泊松比；(C)用于计算手性机械超材料的扭转角度。

图4 截角立方体离散组装机械超材料设计。(A)整体单元划分方式；(B)面板块结构设计；(C)机械超材料组装流程；(D)相邻机械超材料单元采用长紧固件连接。

图5 截角立方体离散组装机械超材料。(A)离散组装单胞的特征行为；(B)离散部件的基本设计参数；(C)n=1至3的实验测试（左）与数值模拟（右）；(D)有效弹性模量的模拟与实验结果；(E)试样的载荷-位移曲线。

图6 内部与外部块体比例关系。(A)内外块体比例变化曲线；(B)n=1至5立方体结构形态可视化。

图7 八面体离散组装机械超材料设计示意图。

图8 八面体离散组装机械超材料。(A-C)沿x、y、z方向的离散组装结构视角；(D)整体式八面体机械超材料；(E)n=1至3的实验测试（左）与数值模拟（右）；(F)有效弹性模量的模拟与实验结果；(G)试样的载荷-位移曲线。

图9 截角八面体离散组装机械超材料。(A)离散组装单胞的特征行为；(B)离散部件的基本设计参数；(C)n=1至3的实验测试（左）与数值模拟（右）；(D)有效弹性模量的模拟与实验结果；(E)试样的载荷-位移曲线。

图10 离散组装机械超材料的装配序列。(A)截角八面体机械超材料组装流程；(B)高体积模量机械超材料组装流程；(C)拉胀机械超材料组装流程；(D)手性机械超材料组装流程。

图11 高体积模量离散组装机械超材料。(A)离散组装单胞的特征行为；(B)离散部件的基本设计参数；(C)n=1至3的实验测试（左）与数值模拟（右）；(D)有效弹性模量的模拟与实验结果；(E)试样的载荷-位移曲线。

图12 拉胀型离散组装机械超材料。(A)离散组装单胞的特征行为；(B)离散部件的基本设计参数；(C)n=1至3的实验测试（左）与数值模拟（右），其中侧面测量点已用红圈标出；(D)有效弹性模量的模拟与实验结果；(E)负泊松比效应的三维可视化呈现。

图13 手性离散组装机械超材料。(A)离散组装单胞的特征行为；(B)离散部件的基本设计参数；(C)n=1至3的实验测试（左）与数值模拟（右）；(D)有效弹性模量的模拟与实验结果；(E)受压状态下机械超材料的斜视角；(F)受压状态下机械超材料的俯视角。

图14 支撑结构与离散组装机械超材料填充体系。(A)支撑结构边界条件设定；(B)支撑结构拓扑构型；(C)均匀填充同类型离散组装机械超材料的点阵结构；(D)填充不同体积分数离散组装机械超材料的点阵结构；(E)填充不同材料属性离散组装机械超材料的点阵结构。

图15 赛车车架与离散组装机械超材料。(A)集成式赛车整体结构；(B)车架各部位不同功能机械超材料的分布示意图；(C)离散组装机械超材料的异质组装与偏转角组装方式。

图16 基于离散组装机械超材料的可重构机器人车。(A)可重构机器人车的CAD模型；(B)可重构机器人车的基础原型；(C)可重构机器人车的尺寸与形态变换；(E)可重构机器人车的功能拓展模块集成。