交通运输领域对轻量化高吸能结构的需求日益迫切，传统单胞或多胞薄壁结构在比吸能（SEA）和载荷波动控制方面存在显著局限。现有研究分散于生物仿生、分形几何等子领域，缺乏对分级（hierarchical）和分形多胞结构（fractal）的系统性总结，且复杂几何的制造工艺制约了工程应用。
为突破此瓶颈，印度马德拉斯理工学院的研究团队提出了四类层级结构设计准则：边缘层级通过将基体几何边缘替换为自相似子胞，如六边形管边缘嵌套三角形网格；顶点层级在角点引入子结构，如甲虫翅膀启发的六边形蜂窝顶点嵌套圆形子胞；分支层级采用仿生树状设计，如莲花茎脉启发的径向分支结构；分形层级则基于科赫雪花、门格尔海绵等数学规则构建。制造技术涵盖金属材料的线切割、激光粉末床熔融和非金属材料的熔融沉积建模、光固化，其中增材制造技术为复杂三维层级结构的实现提供了核心支持。
研究结果表明，分级结构显著提升耐撞性能。顶点层级六边形管的SEA较基准值提升289%，边缘层级菱形网格方管实现SEA 220%的提升而峰值压溃力（PCF）仅增加19%，分形科赫六边形管的SEA提高137%。在载荷稳定性方面，折纸启发的边缘层级结构将载荷波动系数（ULC）降至0.06，远优于传统多胞管。多材料协同设计展现突出潜力，泡沫填充分级方管通过管壁与泡沫的相互作用提升总吸能10.54%。
当前应用仍面临三大挑战：（1）高精度分形结构的量产瓶颈（2）多尺度材料性能匹配难题以及（3）动态载荷下的响应预测局限。该研究指出增材制造和拓扑优化是核心突破口，例如激光粉末床熔融技术可制备壁厚50μm的微细结构，而人工智能算法（NSGA-II、MOPSO）能优化层级参数组合。未来需探索多物理场耦合（如航天器再入舱的热-力耦合）、多向冲击工况（汽车偏置碰撞）及可持续材料（竹纤维复合材料），分级结构在新能源汽车碰撞盒、航天着陆器支撑结构中具有明确应用前景。
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顶点层级六边形管 |
基准→ 优化值 |
↑289% |
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边缘层级方管 |
传统多胞管→ 层级结构 |
↑220% |
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分形科赫管 |
常规六边形管→ 2阶分形  |
↑137% |
研究强调，分级与分形结构通过多尺度几何设计将比吸能提升137%~289%，同时有效抑制载荷波动。增材制造技术推动生物仿生与数学分形向工程应用转化，但需进一步解决制造公差控制、动态应变率效应建模等关键问题。该研究首次整合了层级结构的设计准则与性能数据库，为下一代耐撞结构提供“几何-材料-制造”一体化设计框架，其意义在于：建立分级分类标准填补领域空白，明确增材制造与机器学习的融合技术路线，以及拓展仿生原理在工程吸能领域的应用深度。
图1 能量吸收结构专题综述时间线
图2 层级结构的分类
图3 文献中的边缘层级结构
图4 文献中的顶点层级结构
图5 文献中的分支层级结构
图 6 文献中的分形层级结构
图7 激光粉末床熔融技术示意图
图8 文献中使用的非金属增材制造方法示意图
图9 方形网格几何中的边缘层级
图10 方形多胞管中菱形边缘层级的变形行为与压溃性能
图11 具有边缘层级的六边形和蜂窝结构
图12 N边形多边形、多材料管和点阵中的边缘层级
图13 顶点层级六边形管的吸能与力-位移特性
图14 六边形科赫分形管的吸能特性
原始文献：
Harithsa, S. N., & Hiremath, S. S. (2025). A review on crashworthiness of hierarchical and fractal multicellular structures: State of the art and prospects. Composite Structures, 368, 119278.
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