拉伸下3D拉胀双层结构的起皱不稳定性

双层结构，即涂有硬膜的软基底，在自然界中很常见，例如皮肤组织、囊泡和器官膜。当受到压缩时，它们会表现出不同类型的不稳定性，这取决于两种组分之间材料特性的对比。在这项工作中，我们揭示了拉胀双层系统在单轴拉伸下起皱不稳定性的机制。我们发现，拉伸下的软双层结构会发生显著的横向收缩，并且当泊松比对比足够大时，压应力可能会引起平行于拉伸方向的褶皱。我们对起皱的发生进行了分析建模，并使用ABAQUS中的有限元模拟验证了我们的预测。我们的研究结果表明，当基底的泊松比大于膜的泊松比时，会发生起皱。随着两个泊松比收敛到一个共同值，不稳定性的临界拉伸迅速飙升，褶皱消失。我们也通过渐近分析证实了这些结果。利用反分析，我们设计了薄膜微结构以实现所需的等效泊松比，并使用有限元代码FEAP进一步验证了等效特性。我们表明，具有微结构模式的拉胀结构发生屈曲的临界拉伸比与均匀化模型预测高度一致。所提出的方法在控制机械载荷下的拉胀皮肤移植物和水凝胶器官补片的表面图案方面具有巨大潜力。此外，本工作提出的可压缩双层结构的渐近表达式也可以在有限应变下应用于基于屈曲的计量学。