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第一，研究的主要作者及机构、发表期刊和时间
本研究由Que Zhou、Zhihui Xu、Youjiang Cui、Kaifa Wang、Baolin Wang和Biao Wang共同完成。作者分别来自东莞理工学院交叉科学研究院、哈尔滨工业大学深圳研究生院和西悉尼大学工程设计与建筑环境学院。该研究于2025年发表在《Construction and Building Materials》期刊上，具体发表日期为2025年4月11日，文章编号为141132。

第二，研究的学术背景
本研究的主要科学领域是机械超材料（mechanical metamaterials），特别是负泊松比（Negative Poisson’s Ratio, NPR）结构，也称为拉胀结构（auxetic structures）。拉胀结构因其在单轴拉伸下表现出膨胀的独特行为而备受关注，具有优异的能量吸收能力、抗冲击性、断裂韧性和振动隔离性能。传统的管状结构在工程中广泛应用，但其重量较大且比能量吸收（Specific Energy Absorption, SEA）较低。拉胀蜂窝结构因其优异的机械性能和高设计灵活性，被认为是一种有前景的替代方案。因此，本研究旨在通过调整径向蜂窝层数设计一种梯度拉胀圆形管（Gradient Auxetic Circular Tube, ACT），并通过三点弯曲试验和有限元模拟评估其弯曲性能、变形模式和能量吸收能力。

第三，研究的详细工作流程
本研究包括以下几个主要步骤：
1. 结构设计：设计了一种基于马尾草结构特征的梯度拉胀圆形管（ACT），通过调整蜂窝单元的数量和尺寸实现梯度变化。结构的几何参数包括单元高度、半径、结构角、内凹角（re-entrant angle）和壁厚等。
2. 样品制备：使用X1-Carbon Combo 3D打印机制备了不同层数的ACT样品，材料为聚乳酸（PLA）。通过拉伸试验获取了PLA的材料参数，用于后续的有限元模拟验证。
3. 三点弯曲试验：使用万能试验机（CMT5000）进行准静态三点弯曲试验，加载速度为5 mm/min，记录力-位移曲线。
4. 有限元模拟：使用Abaqus/Explicit软件进行有限元模拟，验证试验结果的可行性。模型采用八节点线性砖单元（C3D8R）进行网格划分，并通过收敛分析确定网格尺寸和加载速度。
5. 参数分析：研究了拉胀效应、蜂窝单元数量、壁厚、内凹角、加载位置和加载速度对ACT结构机械性能的影响。
6. 能量吸收性能评估：通过能量吸收（Energy Absorption, EA）、比能量吸收（SEA）和压碎力效率（Crush Force Efficiency, CFE）等指标评估ACT结构的能量吸收能力。

第四，研究的主要结果
1. 结构设计验证：有限元模拟与试验结果高度一致，验证了模型的可行性。ACT结构在三点弯曲试验中表现出优异的能量吸收和承载性能。
2. 能量吸收性能：ACT结构的能量吸收性能显著优于非拉胀圆形管（NACT），SEA提高了6.2%。随着蜂窝层数的增加，能量吸收性能进一步增强。
3. 参数分析结果：
- 蜂窝单元数量：增加单元数量显著提高了ACT结构的能量吸收能力。
- 壁厚：增加壁厚有效提高了能量吸收性能和承载能力。
- 内凹角：增加内凹角提高了总能量吸收，但SEA有所下降。
- 加载位置：加载位置对能量吸收性能有显著影响，最优加载位置为半单元处（position-4）。
- 加载速度：随着加载速度的增加，ACT结构的平台力和能量吸收性能显著提高。

第五，研究的结论
本研究通过将传统拉胀蜂窝结构与管状设计相结合，设计了一种梯度拉胀圆形管（ACT），并通过试验和模拟验证了其优异的机械性能。ACT结构在能量吸收和承载性能方面显著优于非拉胀圆形管，特别是在增加蜂窝单元数量、壁厚和内凹角的情况下，能量吸收性能得到进一步提升。研究结果为设计轻量化、高比强度和能量吸收性能的管状结构提供了新的思路。

第六，研究的亮点
1. 新颖的结构设计：结合梯度设计和拉胀效应，提出了一种新型梯度拉胀圆形管（ACT）。
2. 全面的参数分析：系统研究了拉胀效应、蜂窝单元数量、壁厚、内凹角、加载位置和加载速度对ACT结构机械性能的影响。
3. 优异的能量吸收性能：ACT结构的比能量吸收（SEA）比非拉胀圆形管提高了6.2%，且随着参数优化进一步提升。
4. 应用潜力：ACT结构在海洋工程、航空航天和汽车等领域具有广泛的应用前景。

第七，其他有价值的内容
研究还探讨了ACT结构在动态载荷下的响应，发现随着加载速度的增加，结构的能量吸收性能显著提高。此外，研究提出了进一步优化ACT结构性能的建议，例如采用更复杂的梯度设计以提高整体机械性能。