轻质、高强的复合材料在航空航天、新能源汽车等领域的防护结构设计中扮演着越来越重要的角色。如何在既有蜂窝构型的基础上，填充适合的泡沫材料以进一步改善其耐撞性能，是工程界十分关注的一个问题。

近日，合肥工业大学机械工程学院赵昌方副教授，携手南京理工大学和中国船舶及海洋工程设计研究院，在复合材料领域知名期刊Polymer Composites (JCR Q1，即时IF=4.8)上发表了重要研究成果，系统揭示了不同密度聚氨酯(PU)泡沫填充玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)正六边形管的压缩失效演化规律与能量吸收特性。主要研究路径如下：

① 研究方法

圆形与方形截面管是吸能结构中常见的构型，而正六边形截面因其天然仿生蜂窝的几何特征，在面内压缩时具有更优的应力分布与变形协调能力。为此，该研究团队采用模压成型工艺，制备了壁厚仅0.6 mm的正六边形GFRP薄壁管，并分别灌注密度为27、47、50、80 kg/m³的四种PU泡沫，基于准静态压缩实验与理论解析方法，全面评估了泡沫密度对结构承载与吸能行为的调控作用。

② 主要发现

面外压缩行为（管的经向）：无论是否填充泡沫、填充何种密度的泡沫，压缩应变超过70%后复合材料结构均会因界面脱粘和胞壁屈曲而发生失稳，导致承载能力丧失；PU泡沫填充虽能提供一定的支撑、延缓界面失效的扩展，但无法从根本上抑制后期管壁的向外倾覆；其中，填充50 kg/m³密度泡沫的试件在失稳前保持了最高的平均压溃力，展现出相对较优的承载潜力。

面内压缩行为（管的轴向）：载荷曲线呈现出典型的弹性抵抗（爬升段）、局部失效（屈服段）、稳定压溃（平台段）、致密坍塌（密实段）四个阶段；期间，PU泡沫的密度扮演着精细的“过程调节器”角色：高密度泡沫会导致平台区变短、密实化提前，而低密度泡沫则影响甚微。

③ 研究结论

通过归纳初始峰值载荷、平均压溃载荷、总吸能和比吸能等四大核心指标，以空心管为参照，明确了性能最优的泡沫密度——50 kg/m³，其使得峰值压溃载荷提升了78.9%、总吸能提升了161.8%、比吸能提升了118.8%；这一发现表明，适中的泡沫密度能有效实现复合材料结构吸能效率的最大化。此外，理论计算结果与实测平均压溃力之间的误差控制在6.89%-23.7%之间，验证了解析模型的有效性。

④ 总结展望：对于正六边形GFRP薄壁管，并非泡沫密度越高吸能效果越好。中等密度PU泡沫在面内压缩工况下实现了载荷平稳性、能量吸收总量与结构轻量化之间的最佳平衡，这一结论为航空航天缓冲结构、新能源汽车防撞装置等轻量化构件的设计提供了实验依据与理论支撑，但关于泡沫填充蜂窝结构、复合材料铺层优化、反常力学行为引入方面的研究仍然值得期待。

图1  PU泡沫填充GFRP管的准静态压缩失效模式、载荷曲线及受力分析

南京理工大学机械工程学院任杰副教授和合肥工业大学机械工程学院赵昌方副教授为论文的共同通讯作者，南京理工大学机械工程学院博士研究生张琦为论文的第一作者，其他作者还包括南京理工大学机械工程学院徐强教授和张震东副教授、中国船舶及海洋工程设计研究院吴林华工程师。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、国家资助博士后研究人员计划的共同资助。

文章标题：Study on the Crushing Modes and Energy Absorption of Foam-Filled Regular Hexagonal GFRP Tubes

文章链接：https://doi.org/10.1002/pc.71053