随着全球客运和货运运输量的持续增加，交通安全已成为社会的首要关注点之一[1]、[2]。世界卫生组织（WHO）报告称，2021年全球有119万人因交通事故死亡[3]。作为全球死亡和残疾的主要原因，交通事故导致社会损失占国内生产总值（GDP）的1-3%，在某些情况下甚至达到6%[4]、[5]、[6]。此外，历史交通事故数据显示，高速公路分流和合流区域、桥墩、涵洞轨道等是事故多发区[7]、[8]、[9]、[10]。根据公路安全保险协会（IIHS）的数据[11]，与固定物体的碰撞（包括与桥墩的碰撞）约占所有机动车死亡事故的20%。美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）的统计数据显示，大约50%的致命交通事故发生在交叉口或附近，包括高速公路匝道[12]。确保这些特定区域的交通安全不仅对保护个人福祉至关重要，也对促进宏观经济发展必不可少。已在不同道路上实施了各种防护措施[13]，如警告标志、减速带[14]、护栏装置[15]、[16]。其中，缓冲垫[17]（也称为冲击衰减器）是一种关键且常见的安全装置，通过在车辆碰撞时吸收动能并将其转化为缓冲垫的塑性变形来减轻碰撞的严重程度[18]。缓冲垫在高速公路出口和其他高风险区域尤为重要[19]，根据导向能力可分为导向型和非导向型[20]。主要区别在于是否存在导向系统来引导车辆并防止二次事故。例如，结合沙桶阵列的缓冲垫是非导向型缓冲垫的典型代表。尽管沙桶具有柔韧性和安装方便的优点，但在碰撞后容易从原位置移位，从而与其他车辆相撞并引发二次事故[21]。
导向型缓冲垫由多个部分组成，包括能量吸收模块、前端盖、导向结构和后挡板。在这些组件中，能量吸收模块是决定缓冲垫能量吸收效果的关键部分[20]。由于导向型缓冲垫的独特导向功能，它们越来越多地被安装在高速公路匝道出口、桥墩和涵洞轨道等关键位置。一些商用导向型缓冲垫针对不同场景使用不同的材料和结构形式作为能量吸收模块。例如，TAU-XR™缓冲垫[22]使用可压碎的铝管作为能量吸收单元。TAU-II-R系统[23]使用超弹性聚氨酯能量吸收元件，在需要更换之前能够承受多次正面冲击。TAU Tube-™系列采用多级伸缩机制以确保高性能[24]。图1展示了各种缓冲垫结构。
现有的缓冲垫通常采用管状、波纹板或桶形金属结构作为能量吸收组件[25]，但这些结构在某些条件下表现不足。例如，圆形管和弧形面板在平面压缩时的比能量吸收（SEA）较低，导致缓冲垫所需的空间较大。受到垂直于平面冲击的圆形管会产生较高的初始峰值力，可能导致受保护结构瞬间过载。此外，细长比较大的管容易发生整体欧拉屈曲[26]，从而导致能量吸收能力大幅下降。蜂窝结构因其轻质和高强度特性而被广泛用于保护和能量吸收应用[27]、[28]。潘等人[29]证明，由薄壁U形钢和填充蜂窝复合材料制成的能量吸收结构在高速碰撞下表现出优异的能量吸收性能，使其适合用于桥墩保护。卢等人[30]提出了一种双剪切螺栓加固方案来解决连接断裂问题，并通过实际车辆碰撞测试验证了其高效的能量耗散特性。潘等人[31]进一步验证了使用螺栓加固蜂窝结构（RHC）作为能量吸收组件的可行性。然而，即使在平面压缩[32]、[33]情况下，尽管RHC通过限制传统六边形蜂窝（HC）结构的侧向膨胀提高了能量吸收能力，但其能量吸收效率仍低于防护结构的要求。在垂直于平面的冲击[34]下，HC和RHC结构的初始峰值力和平均压碎力都有显著波动，其机械响应对应变率非常敏感[35]。为了扩展蜂窝结构的应用场景，提出了多种优化策略。陈等人[36]开发了几种新型泡沫填充多层复合格子结构（FMCLSs），并通过准静态压缩实验验证了其优异的抗冲击性能。王等人[37]设计了一种具有较大负泊松比的三维凹形格子结构，展示了出色的抗冲击潜力。王等人[38]引入了圆形环增强节点，开发了在宽速度范围内具有增强比能量吸收能力的正弦蜂窝结构。在蜂窝结构固有优势的基础上，研究人员在性能优化方面进行了许多创新。虽然这些新型结构表现出更强的抗冲击性，但其复杂的设计在模块化制造和成本效益方面仍面临挑战，难以应用于大规模防护结构。
剪纸改良蜂窝（KC）作为一种先进的结构设计策略，通过在波纹侧壁引入折叠来显著提高能量吸收能力[39]。这种几何创新将RHC的二维弯曲变形机制转变为三维屈曲，使得在平面压缩下的平均压碎力比传统HC和RHC提高了多倍[40]。现有研究系统地考察了KC在不同结构参数下的能量吸收特性[41]，同时评估了其在多层配置下的三维压缩行为[40]。尽管KC结构表现出性能优势，但现有研究主要集中在小尺度单元在局部压缩或冲击下的性能，其能量远低于车辆碰撞的能量。尺寸和加载条件的变化会放大边界约束和制造缺陷等因素的影响，也可能导致试件的失效模式。特别是，关于KC结构作为缓冲垫能量吸收模块的全尺寸设计、制造过程和性能验证的关键问题尚未得到系统研究。
本研究实验性地研究了全尺寸KC试件作为能量吸收模块在刚性汽车碰撞下的动态响应。与之前对小尺度KC试件进行的局部冲击测试不同，本研究准备了与实际缓冲垫能量吸收模块尺寸相当的试件，这些试件使用铆钉组装而成，类似于实际的导向型缓冲垫。冲击测试使用刚性水平汽车进行，冲击能量与实际车辆碰撞相当。本研究在结构参数层面设置了不同折叠次数和中间层的实验配置，在加载条件层面设置了不同的冲击速度和质量。实验计划旨在揭示全尺寸KC结构作为能量吸收模块的动态响应和能量吸收特性。比较了不同情况下KC试件的压碎距离（D）和能量吸收（EA），并比较了不同配置的KC能量吸收模块的能量吸收能力。
