【雙穩態結構】PXCM相變細胞材料加、卸載過程Abaqus模擬
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雙穩態結構
雙穩態（Bistable）結構，顧名思義，是有兩種穩定狀態的結構，由于其內部存在彈性鉸，結構整體上可以表現出機構的特點，另外，很多機構的設計也會追求這種雙穩態特性，所以有時把這種結構或機構統稱為雙穩態順應性機構。
通過外力作用，雙穩態結構可以在兩種穩定狀態之間轉變，穩定意味著這種轉變不會自發地出現。
雙穩態結構示例
生活中比較常見的彈力發卡、單車支架腳，瓶蓋（某些飲料或洗發露產品）、折疊盆、還有十年前流行的翻蓋手機等，都有雙穩態特性。
雙穩態力學系統與生活中的案例
通過對彈性鉸的幾何、剛度參數進行調整，可以制造出雙穩態或亞穩態（Metastable）細胞，將這些細胞陣列起來，得到的結構具有優良的隔震、吸能效果，與傳統的蜂窩材料相比，具有很強的可恢復性。
在外界載荷作用下，細胞會經歷狀態的轉變，并耗散掉沖擊能量，有些文獻將微觀的相變概念擴展到此宏觀細胞材料之中，并稱之為相變細胞材料（PXCM）。
相變細胞材料的加、卸載試驗
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Abaqus有限元模擬
最近幾年，有不少關于PXCM的基礎研究文獻，下面的案例物理模型源自于普渡大學Pablo研究小組2019年發表的一篇Nature，文章對幾種不同的PXCM結構設計進行了研究，應**博士的需求，我對其中一個結構的彈性鉸失穩以及整體結構0°/45°的加、卸載過程進行了Abaqus有限元模擬復現。
雙層余弦梁彈性鉸
A
彈性鉸失穩
拱形彈性結構受壓失穩過程中會突然翻轉，如果使用靜力學來計算失穩，必須用位移來控制加載（輸出RF），或者采用弧長法（輸出LPF），除此之外，還可以采用動力學方法來模擬這個過程。
算法對比
計算結果表明，隱式動力學和靜力學、弧長法給出的結果基本完全一樣。顯式算法捕捉到了一些高頻振動，載荷-位移曲線與其它方法整體一致。
B
整體加、卸載
為提高結構的可恢復性，整體模型彈性鉸幾何參數略有改變，對其加、卸載考慮了兩個比較特殊的方向，即0°（由于結構對稱性，0°-水平和90°-豎直方向的力學行為一致）和45°（對角線方向），輸出加、卸載的載荷-位移曲線，可以看到局部失穩導致的載荷波動。
0°加卸載曲線
45°加卸載曲線
參考文獻:
David Restrepo a, Nilesh D. Mankameb, Pablo D. Zavattieri a,“Phase transforming cellular materials”
Y. Zhang, D. Restrepo, M. Velay-Lizancos, N. D. Mankame, P. D. Zavattieri, “Energy dissipation in functional two-dimensional phase transforming cellular materials”
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