拉脹材料因其負泊松比特性深度契合生物組織變形，在生物醫(yī)學領域得到廣泛應用。然而，其在應用過程中與生物組織形成的雙層結構存在發(fā)生褶皺失穩(wěn)的風險?，F有研究主要集中于壓縮載荷作用下的褶皺失穩(wěn)行為，而拉伸所引發(fā)的褶皺失穩(wěn)機理尚不明確，同時，適用于大變形條件下的褶皺失穩(wěn)理論模型也亟待完善。因此，愛爾蘭高威大學Sairam Pamulaparthi Venkata教授團隊建立了適用于大變形拉伸載荷條件下的褶皺失穩(wěn)模型，并進一步分析了泊松比失配對褶皺失穩(wěn)的影響，為實際應用中抗褶皺提供了新思路。

本文基于Blatz-Ko超彈性本構模型（圖1）構建理論框架。首先推導出薄膜與基底的變形梯度和應力關系，進而通過增量分岔理論建立線性失穩(wěn)條件，并推導高階漸進表達式用于大變形修正，最后實現半解析求解以預測臨界拉伸比λc和波數Kc。通過將理論模型的預測結果與有限元計算結果進行對比，驗證了理論模型的有效性和合理性（圖2）。

圖1 基于Blatz-Ko超彈性本構模型的實驗與有限元模擬結果對比

圖2 理論解與有限元模擬結果對比

結果表明，當且僅當基底泊松比V?大于薄膜泊松比Vf（V?>Vf）時，才會發(fā)生平行于拉伸方向的褶皺失穩(wěn)現象，這是由于具有更高泊松比的基底發(fā)生了更顯著的橫向收縮，在薄膜內誘發(fā)壓縮應力（圖3）；臨界拉伸比λc隨| V? - Vf |減小而急劇增大，而皺紋波長則隨泊松比差異增大而縮短，但高壓縮性材料（V? ≤ -0.7）出現波長反?？s短現象（圖4d），表明Blatz-Ko模型對強拉脹行為的預測存在局限。本文進一步結合逆設計方法，成功實現薄膜微結構（正交橢圓/矩形孔）的泊松比靶向調控（圖5a），其均質化模型與ABAQUS微結構模擬的臨界拉伸比誤差<6.3%（圖5b）。

圖3 雙層結構受拉伸載荷作用示意圖

圖4 基于Blatz-Ko超彈性模型的有限元模擬結果與理論解對比

圖5 (a)微結構幾何形狀，(b)不同微結構的雙層結構受拉伸載荷褶皺情況

綜上所述，本文系統(tǒng)探究了3D拉脹雙層結構在單軸拉伸下的起皺不穩(wěn)定性機制，通過理論建模和數值模擬揭示核心規(guī)律。本文通過微結構設計實現褶皺可控，為生物醫(yī)學器件的抗褶皺設計提供了理論支撐。

相關論文以“Wrinkling instability of 3D auxetic bilayers in tension"為題發(fā)表在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》。