Structure-dominated design of thermo-mechanical coupling architected metamaterials

作者：Kefan Guo, Yinong Li, Shiyu Ma, Yang Lu · 发表于：Zhongguo kexue. Wulixue Lixue Tianwenxue · 年份：2026 · DOI：10.1360/sspma-2025-0610 · 研究领域：Cellular and Composite Structures、Topology Optimization in Engineering、Composite Structure Analysis and Optimization

几何构型正成为多物理场超构材料设计中的重要调控因素。不同于主要依赖材料组分或界面改性的传统方法，本文关注结构几何如何约束载荷的传递路径与热流的传播通道，并由此影响力学承载与热输运行为的协同表现。通过在同一结构中协同组织刚度分布与热输运通道，几何自由度可以直接改变应力在结构内部的传递方式、热流的汇聚与分散位置，以及热量跨界面传输的过程，从而表现出具有阈值特征或方向选择性的响应行为。本文分析了三类具有代表性的结构体系：可编程格架与零模态桁架用于调控整体刚度与变形模式；层合导热网络与辐射几何用于引导热通量在空间中的定向分配；双层热驱动、液-固拓扑切换及手性晶格结构展示了几何构型变化下热流路径与承载路径的同步重构，即载荷传递方式与热流传播通道随结构构型变化而发生的协同调整。相关分析表明，几何不仅影响结构形态，还直接决定载荷与热流在结构内部的组织方式，是实现力-热协同调控的重要设计自由度。本文提出的结构主导力-热协同设计思路，为力-热超构材料中承载与热管理功能的协同组织提供了一种结构层面的设计思路。