基于竹結(jié)構(gòu)的薄壁吸能管仿生優(yōu)化研究

宋家鋒，王會(huì)霞，2，蓋宏健，劉國(guó)敏，鄒 猛?

基于竹結(jié)構(gòu)的薄壁吸能管仿生優(yōu)化研究

宋家鋒1，王會(huì)霞1，2，蓋宏健1，劉國(guó)敏3，鄒 猛1?

（1．吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130022；2．山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，晉中030801；3．吉林建筑大學(xué)，長(zhǎng)春130022）

為提高薄壁管結(jié)構(gòu)的耐撞性和吸能性，根據(jù)竹子的微觀結(jié)構(gòu)和竹節(jié)結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)了3種具有節(jié)結(jié)構(gòu)的仿生薄壁管。通過(guò)仿真分析得出：節(jié)數(shù)的增加不能提高其比吸能，但節(jié)可以起到引導(dǎo)變形的作用；10B薄壁管結(jié)構(gòu)的比吸能是仿生管中最高的，為34? 35 kJ／kg，較普通圓管提高了61? 4%。對(duì)雙節(jié)薄壁管12YP的節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)增大節(jié)的內(nèi)徑和倒角處理能夠提高薄壁管的吸能特性。最后，通過(guò)落錘試驗(yàn)對(duì)仿生管進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出載荷曲線的趨勢(shì)表現(xiàn)出一致性。

薄壁結(jié)構(gòu)；仿生設(shè)計(jì)；竹結(jié)構(gòu)；能量吸收；落錘試驗(yàn)

1 引言

金屬薄壁管是目前應(yīng)用最廣泛的吸能元件，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的研究表明：通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，單一的薄壁管結(jié)構(gòu)具有可控的破壞模式、平穩(wěn)的壓縮載荷，是優(yōu)異的緩沖吸能元件［1?3］。梁東平［4］等人采用ABAQUS／Explicit對(duì)月球著陸器著陸腿進(jìn)行了沖擊動(dòng)力學(xué)仿真，研究了著陸沖擊過(guò)程中著陸腿的載荷緩沖和吸能性能，對(duì)指導(dǎo)著陸緩沖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化做出了重要的貢獻(xiàn)。劉榮強(qiáng)［5］等人分析了現(xiàn)有一次性緩沖器存在的不足，結(jié)合理想腿式著陸器緩沖性能，提出了將多孔材料填充在薄壁金屬管里面的組合式緩沖器；通過(guò)合理設(shè)計(jì)，其緩沖吸能效果相對(duì)于單一的緩沖器，得到大大的改善。李萌［6］等應(yīng)用數(shù)值仿真軟件Patran／DYNA對(duì)五種腿式著陸器用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的金屬蜂窩填充薄壁管進(jìn)行了壓縮仿真。仿真結(jié)果表明，正六邊形金屬蜂窩管在五種蜂窩結(jié)構(gòu)中吸能效果最優(yōu)。國(guó)外Nia等人對(duì)多種截面形狀的薄壁管碰撞的變形和吸能特性進(jìn)行了分析［7?8］，結(jié)果表明：薄壁管截面的形狀對(duì)其吸能效果有顯著的影響，其中圓形吸能管的吸能效果最好。Morris等人提出一種嵌套式的薄壁結(jié)構(gòu)，并通過(guò)試驗(yàn)和仿真分析了側(cè)向準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的吸能效果較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有很大的提升［9］。AbbasNiknejad等人對(duì)具有聚氨酯泡沫填充和嵌套結(jié)構(gòu)的鋁管與銅管進(jìn)行側(cè)向準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的能量吸收研究，并探索其吸能特性和變形模式［10］。國(guó)內(nèi)亓昌等人對(duì)錐形多胞管進(jìn)行多角度的斜向碰撞仿真分析，結(jié)果表明錐形多胞管在斜向碰撞中性能明顯優(yōu)于其他薄壁管［11］。劉勝等人對(duì)多胞薄壁管的壁厚線性梯度變化時(shí)的結(jié)構(gòu)耐撞性進(jìn)行了研究［12］，結(jié)果表明：相比于等厚度多胞結(jié)構(gòu)，厚度梯度為正時(shí)的多胞結(jié)構(gòu)在軸向沖擊載荷下的耐撞性得到明顯提高。桂良進(jìn)等人對(duì)泡沫填充圓管進(jìn)行了軸向壓縮分析，結(jié)果表明，加載速率對(duì)泡沫填充圓管的吸能能力有較大影響［13］。

竹子是一種具有良好力學(xué)性能的天然復(fù)合梯度材料，其宏觀上中空、壁薄、離散分布的竹節(jié)等外形特征，微觀上維管束的梯度分布和細(xì)胞壁多層結(jié)構(gòu)造就竹材強(qiáng)度高、韌性好的優(yōu)良力學(xué)特性，被認(rèn)為是自然界中效能較好的結(jié)構(gòu)和材料［14?15］。竹節(jié)不僅能夠增強(qiáng)竹子的抗彎強(qiáng)度，同時(shí)能提高竹子橫向的抗擠壓和剪切的能力［16］。周本濂等［17?18］人對(duì)竹材進(jìn)行了深入的宏微觀分析及力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明：竹子的宏觀結(jié)構(gòu)符合等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原理，且竹節(jié)提高了材料的抗劈強(qiáng)度與橫向抗拉強(qiáng)度，其對(duì)竹材來(lái)說(shuō)是結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)體而非缺陷。竹材在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)異性為薄壁管的耐撞性優(yōu)化研究提供了啟發(fā)和參考。目前將生物仿生學(xué)理論應(yīng)用到薄壁管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究相對(duì)較少。國(guó)內(nèi)付為剛等人結(jié)合仿生設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)正軌箱梁橫向肋［19］，通過(guò)研究竹子莖稈結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了正軌箱梁加勁肋變間距等穩(wěn)定性優(yōu)化策略，結(jié)果表明：加勁肋的數(shù)量由15道減少為10道，減重了136? 12 kg。

已有的文獻(xiàn)涉及到利用竹子的宏微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)耐撞性方面的研究較少，本文將竹子的宏微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)用到薄壁吸能管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出一種具有竹子結(jié)構(gòu)特征的高吸能薄壁結(jié)構(gòu)，并對(duì)仿生薄壁管進(jìn)行軸碰撞仿真分析和試驗(yàn)研究。

2 仿生薄壁管設(shè)計(jì)

2? 1 竹材仿生原型微觀結(jié)構(gòu)分析

利用上海兆儀生產(chǎn)的微世界VMS300A體式顯微鏡對(duì)竹材橫截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。圖1（a）為竹材的微觀結(jié)構(gòu)圖，由圖可看出竹材管壁主要由纖維和基體組織組成。將竹材的管壁從左到右（從外到內(nèi)）分為三層，分別稱為密集區(qū)、次密集區(qū)、稀疏區(qū)，竹材的橫截面梯度劃分見(jiàn)圖1（b）。由于竹材在承受自然界中的載荷時(shí)同一截面不同位置所受載荷分布不同，最外側(cè)受到的載荷比內(nèi)側(cè)大，因此竹青處的纖維束分布密度較大，竹黃處分布密度較少。

2? 2 薄壁管仿生截面設(shè)計(jì)

仿生薄壁管是由仿生節(jié)、3個(gè)仿生內(nèi)管和3層仿生單元構(gòu)成。仿生外壁模仿竹壁最外側(cè)纖維束密集的竹青部位，仿生單元模擬維管束，仿生內(nèi)圈模擬薄壁組織，仿生內(nèi)管支撐和連接仿生單元，3層仿生單元呈梯度分布，由外層到內(nèi)層仿生單元的數(shù)目依次為18、12和8，將竹材橫截面均勻分為3層，仿生單元的個(gè)數(shù)之比與竹材由外層到內(nèi)層纖維束的個(gè)數(shù)之比接近，仿生截面見(jiàn)圖2（a）。

鑒于圖2（a）中的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在工程應(yīng)用以及加工制備上均不適應(yīng)，為便于進(jìn)行分析及加工制備，將其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖2（b）所示。

2? 3 薄壁管仿生節(jié)設(shè)計(jì)

竹節(jié)對(duì)竹材的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度具有明顯的增強(qiáng)作用，是竹材中重要的結(jié)構(gòu)，在縱向和徑向的壓縮過(guò)程中對(duì)防止竹材劈開(kāi)、斷裂起到關(guān)鍵作用［20］。因此在薄壁管結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了類似竹節(jié)結(jié)構(gòu)的仿生節(jié)，以期能夠提高薄壁管在軸向的載荷和吸能能力，仿生節(jié)為一個(gè)完整的圓盤結(jié)構(gòu)。仿生節(jié)的結(jié)構(gòu)有兩種，如圖3，其中圖3（a）是一個(gè)節(jié)，稱為單節(jié)薄壁管，節(jié)與底端之間的距離為l2，節(jié)與頂端之間的距離為l1，管的總長(zhǎng)度為l，單節(jié)的位置分為圖中的上中下三個(gè)1／3部位。圖3（b）具有兩個(gè)節(jié)的薄壁管，稱為雙節(jié)薄壁管，且節(jié)的結(jié)構(gòu)為圓盤結(jié)構(gòu)（記為YP）。雙節(jié)的位置根據(jù)文獻(xiàn)［21］中的等效節(jié)間距分布規(guī)律確定，如圖4所示。將圖4中莖稈節(jié)個(gè)數(shù)在0～5、6～10、11～15區(qū)間的節(jié)間距求取平均值，以此三部分的節(jié)間距變化規(guī)律設(shè)計(jì)l1、l2、l3的大小，使三段的節(jié)間距比值為1∶3∶7，因此設(shè)計(jì)l1∶l2∶l3＝1∶3∶7。

3 有限元仿真分析

3? 1 薄壁結(jié)構(gòu)建模

通過(guò)CATIA對(duì)圖2（b）仿生薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，其余尺寸見(jiàn)表1和表2，所建模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

表1 單節(jié)仿生薄壁管的尺寸參數(shù)Table 1 Size parameters of bionic thin?walled tube with single node

表2 雙節(jié)仿生薄壁管的相關(guān)參數(shù)Table 2 Size parameters of bionic thin?walled tube with double nodes

3? 2 軸向有限元仿真與分析

通過(guò)有限元分析軟件hypermesh對(duì)6種薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞仿真，用Ls?DYNA進(jìn)行計(jì)算，分析仿生薄壁結(jié)構(gòu)在軸向沖擊下吸能特性。材料設(shè)置為24號(hào)彈塑性鋁合金材料，密度為2? 7×10－6kg／mm3，彈性模量為70 GPa，屈服強(qiáng)度為250 MPa，屬性為殼體。將管的一端固定，用質(zhì)量為1000 kg的剛性墻，以10 m／s的速度向薄壁管的另一端進(jìn)行軸向撞擊。剛性墻的摩擦系數(shù)設(shè)置為0? 3，接觸設(shè)置為管的自接觸，軸向沖擊有限元模型示意圖及有限元分析模型如圖6所示。

3? 2? 1 單節(jié)薄壁管的有限元仿真與分析

圖7和圖8為不加節(jié)薄壁管10B、加節(jié)薄壁管11YP?1、11YP?2、11YP?3和普通圓管YG的軸向仿真得到載荷?位移和比吸能?時(shí)間對(duì)比曲線。

圖7 中，仿生管11YP?1和11YP?2的載荷變化較11YP?3和10B平穩(wěn)，說(shuō)明節(jié)的存在對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)的變形有一定影響，且節(jié)位置不同，變形不同（如圖9），所表現(xiàn)出來(lái)的載荷曲線也就不同。具有截面結(jié)構(gòu)的薄壁結(jié)構(gòu)的行程利用率較普通圓管有所降低。無(wú)節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)與加節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)的初始載荷相同，這是因?yàn)樵谳S向沖擊初期，剛性墻接觸薄壁結(jié)構(gòu)的截面是相同的。三種單節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)的平均載荷相差不多，都維持在90 kN左右，說(shuō)明節(jié)的位置對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的軸向載荷的影響不大。薄壁結(jié)構(gòu)的初始峰值載荷和平均載荷較普通圓管的初始峰值載荷和平均載荷提高一倍左右。

圖8 中，在碰撞時(shí)間約7? 7 ms時(shí)，10B薄壁結(jié)構(gòu)的比吸能為34? 35 kJ／kg，是4個(gè)仿生管中比吸能最大的，比普通圓管的比吸能提高了61? 4%。11YP系列的單節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)的比吸能基本維持在一條直線上，約32? 5 kJ／kg，比普通圓管的比吸能提高了52? 7%。說(shuō)明仿生截面結(jié)構(gòu)的薄壁管能有效提高吸能特性，但加入節(jié)的位置對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)的軸向吸能影響較小。無(wú)節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)10B的比吸能比加節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)11YP的比吸能提高了5? 7%。由圖10中軸向碰撞變形結(jié)果可知，加節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)的變形相對(duì)穩(wěn)定，且節(jié)對(duì)變形起到引導(dǎo)作用。

3? 2? 2 雙節(jié)薄壁管的有限元仿真與分析

圖10和圖11為不加節(jié)薄壁管10B、加節(jié)薄壁管12YP和普通圓管YG的軸向仿真得到載荷?位移和比吸能?時(shí)間對(duì)比曲線。

圖10 中，10B與12YP薄壁結(jié)構(gòu)的初始峰值分別為85? 33 kN和85? 97 kN，平均載荷分別為93? 54 kN和90? 84 kN，平均峰值約在90 kN以上，兩種薄壁結(jié)構(gòu)的初始峰值和平均載荷都大于普通圓管且平均載荷較普通圓管穩(wěn)定，加節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)的平均載荷變化較無(wú)節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)的平均載荷變化穩(wěn)定。

圖11中，無(wú)節(jié)10B管的比吸能較雙節(jié)12YP管的比吸能高，且均高于普通圓管。在變形量約為85 mm時(shí)，10B與12YP的比吸能分別為37? 61 kJ／kg和28? 55 kJ／kg，較普通圓管的比吸能分別提高了62? 9%和23? 68%；10B管的比吸能較12YP的比吸能高了大約31? 7%?？芍?，對(duì)于具有復(fù)雜截面的薄壁結(jié)構(gòu)，節(jié)數(shù)量越多，無(wú)節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)的吸能較加節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)的比吸能相差越大，加節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)不能體現(xiàn)出“節(jié)”的優(yōu)勢(shì)。

3? 2? 3 單、雙節(jié)薄壁管對(duì)比

圖12為單節(jié)薄壁管和雙節(jié)薄壁管分析得到的時(shí)間?比吸能和載荷?位移對(duì)比曲線。

由圖12可知，在軸向沖擊載荷下，10B無(wú)節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)的比吸能最大，加節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)的比吸能隨節(jié)數(shù)的增加而降低，但初始峰值和平均載荷受節(jié)數(shù)的影響較小。這主要因?yàn)橹窆?jié)中心處的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有變形吸能，同時(shí)也沒(méi)有起到約束的作用。

4 仿生節(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

4? 1 多種節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)具有圖3（b）的復(fù)雜截面的雙節(jié)薄壁管進(jìn)行“節(jié)”優(yōu)化設(shè)計(jì)，分為4種，包括圓盤和三種不同內(nèi)徑的圓環(huán)。三種圓環(huán)內(nèi)徑分別為39 mm、24 mm、12 mm，外徑與圓盤外徑相同，為54 mm。再將以上4種不同尺寸的竹節(jié)仿生薄壁結(jié)構(gòu)的節(jié)部分與管部分之間的連接進(jìn)行倒角處理，倒角半徑為2 mm，具體尺寸見(jiàn)表3。建立上述八種仿生薄壁結(jié)構(gòu)在軸向沖擊下的有限元模型，在進(jìn)行有限元處理時(shí)，倒角部分有三排單元，倒角處網(wǎng)格較其他處密集。

4? 2 有限元分析

對(duì)下面8種（A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2）仿生薄壁結(jié)構(gòu)在軸向載荷下的有限元模型的載荷與吸能特性進(jìn)行對(duì)比分析，具體結(jié)果如表3所示。其中倒角的位置位于仿生節(jié)與薄壁管的連接部分，節(jié)內(nèi)外兩部分以及節(jié)的上下兩部分均作倒角處理，倒角半徑為2 mm，如圖13所示。

表3 8種仿生管的尺寸和仿真結(jié)果Table 3 Dimensions of 8 bionic tubes and the simulation results

對(duì)于有無(wú)倒角的加節(jié)仿生薄壁結(jié)構(gòu)，倒角處理降低了其初始峰值載荷，提高了平均載荷和比吸能；對(duì)于節(jié)的形狀，薄壁結(jié)構(gòu)A1的初始峰值載荷為84? 18 kN，高于無(wú)倒角圓環(huán)仿生薄壁結(jié)構(gòu)的初始峰值載荷，且三種具有不同內(nèi)徑無(wú)倒角圓環(huán)仿生薄壁結(jié)構(gòu)的初始峰值載荷基本相同，約55 kN，但進(jìn)行倒角處理后的仿生薄壁結(jié)構(gòu)初始峰值載荷隨著圓環(huán)內(nèi)徑的增大而逐漸降低。圓環(huán)內(nèi)徑小于薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)徑的薄壁結(jié)構(gòu)B1的平均載荷和比吸能是4個(gè)無(wú)倒角加節(jié)薄壁結(jié)構(gòu)中最高的，分別為101? 81 kN和48? 44 kJ／kg，比圓環(huán)內(nèi)徑大于薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)徑的薄壁結(jié)構(gòu)D1的平均載荷和比吸能高13? 26%和9? 96%。B2仿生薄壁結(jié)構(gòu)在軸向沖擊下的比吸能和平均載荷是8個(gè)仿生管中最高的，分別為49 kJ／kg和103? 91 kN。

5 落錘試驗(yàn)驗(yàn)證

加節(jié)仿生薄壁結(jié)構(gòu)截面復(fù)雜，傳統(tǒng)技術(shù)難以加工，本試驗(yàn)采用3D打印技術(shù)，對(duì)試樣進(jìn)行加工。3D打印機(jī)型號(hào)是EOSINT M280?金屬3D打印機(jī)，見(jiàn)圖14。打印機(jī)通過(guò)直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)，以激光光束融化細(xì)金屬粉末來(lái)逐層地構(gòu)建部件，可以支持像自由曲面、深凹槽和3D冷卻通道之類極其復(fù)雜的幾何部件的創(chuàng)建。該打印機(jī)的成型尺寸為250×250×325（mm），精度為20～80 μm，耗材為金屬粉末。本試驗(yàn)使用的是不銹鋼金屬粉末，其基本力學(xué)參數(shù)：密度為7? 8 g／cm3；楊氏模量為180 GPa；屈服強(qiáng)度為550 MPa。

5? 1 樣本制備

因3D打印機(jī)的種種限制（材料、最大長(zhǎng)度等），復(fù)雜截面的尺寸和結(jié)構(gòu)有所改變，見(jiàn)圖15（a）。用3D打印機(jī)打出的4種薄壁結(jié)構(gòu)試件，其結(jié)構(gòu)根據(jù)上述編號(hào)為10B、11YP進(jìn)行確定。圓形截面尺寸：外徑×厚度為25 mm×1? 25 mm，總長(zhǎng)為57 mm。圖15（b）為打印出的實(shí)體，表4為3D?10B、3D?11、3D?13的截面尺寸，3D?13的節(jié)距即為節(jié)與節(jié)之間的距離，其中t為節(jié)的厚度，e1為節(jié)的外伸長(zhǎng)度。

表4 3D打印的仿竹結(jié)構(gòu)薄壁管參數(shù)Table 4 Parameters of 3D printed bionic thin?walled structure

5? 2 落錘試驗(yàn)

試驗(yàn)是在清華大學(xué)蘇州汽車研究院的落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖16，采用高速攝像系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)序列圖像系統(tǒng)獲取試驗(yàn)的壓縮變形，通過(guò)安裝在落錘上的加速度傳感器獲得試樣的沖擊加速度。落錘試驗(yàn)臺(tái)型號(hào)為L(zhǎng)C36?225H6600?Ⅲ，錘頭質(zhì)量在36～225 kg可調(diào)，落錘高度最高為6? 6 m。本試驗(yàn)采用落錘重量為100 kg，落錘高度根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)的截面、直徑和材料通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行選擇。

將3D打印的4個(gè)試樣進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，試樣在受到落錘沖擊的初始狀態(tài)如圖17，試樣受到撞擊之后的最終狀態(tài)如圖18。

由圖18可以看出，試樣3D?10B相對(duì)其他具有復(fù)雜截面的薄壁結(jié)構(gòu)，壓縮量小，這是落錘高度引起的沖擊能量小的緣故。但當(dāng)落錘高度都為4 m的條件下，3D?1系列薄壁結(jié)構(gòu)的變形量仍舊較低，這是由于這幾種薄壁結(jié)構(gòu)的截面較復(fù)雜，在壓縮一定量后堆積的截面阻礙了薄壁結(jié)構(gòu)的變形，這是仿真時(shí)不曾出現(xiàn)的，較大的原因則是仿真式樣所使用的外徑和長(zhǎng)度是3D打印式樣外徑和長(zhǎng)度的兩倍，仿真所設(shè)置的厚度與3D打印厚度相同。

5? 3 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比分析

5? 3? 1 試驗(yàn)結(jié)果分析

落錘在與試樣接觸時(shí)，3D?10B、3D?03和其他3D試樣的最大沖擊速度分別為6? 2 m／s、7 m／s和8? 8 m／s。

圖19（a）為4種樣件的試驗(yàn)位移?載荷曲線，對(duì)比分析可知：3D?1系列和3D?03薄壁結(jié)構(gòu)的峰值載荷分別為190 kN和44? 98 kN，平均載荷和初始峰值載荷相差不大，說(shuō)明在碰撞過(guò)程中薄壁結(jié)構(gòu)的變形較平穩(wěn)。對(duì)3D?1系列進(jìn)行比較，不管3種試樣沖擊初始時(shí)落錘高度設(shè)置為多少，載荷曲線基本上不受影響，變形量隨落錘高度的變化而變化。

圖19（b）是通過(guò)origin數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)位移?載荷進(jìn)行積分之后得到的位移?吸能曲線。截面形狀復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)的吸能比截面形狀為圓形的3D?03的吸能要大的多，3D?10B試樣在位移為15? 5 mm時(shí)吸能達(dá)到最大，不能再進(jìn)行壓縮，此時(shí)的吸能量為2? 22 kJ，3D?03試樣在位移達(dá)到40 mm時(shí)被壓實(shí)，此時(shí)的總吸能為1? 5 kJ，比3D?10B少0? 72 kJ。3D?13試樣的吸能在幾個(gè)試樣中最大，但總體來(lái)講，3D?1系列的薄壁結(jié)構(gòu)吸能都基本維持在同一曲線上。

圖19（c）為4種薄壁結(jié)構(gòu)的位移?比吸能曲線，此曲線與上述位移?吸能曲線趨勢(shì)相同。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，截面越復(fù)雜，在相對(duì)應(yīng)的條件下，其吸能就越高，但是過(guò)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙薄壁管的變形，使得相鄰結(jié)構(gòu)之間發(fā)生穿插，從而發(fā)生堵死現(xiàn)象，造成材料的浪費(fèi)，與目前機(jī)械的輕量化要求相違背。

5? 3? 2 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

選取以上加工的薄壁結(jié)構(gòu)中的一個(gè)試樣進(jìn)行有限元仿真結(jié)果和試驗(yàn)的對(duì)比分析。選取的薄壁結(jié)構(gòu)為3D?03，對(duì)其進(jìn)行軸向沖擊下的有限元仿真分析，并與相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖20所示。

由圖20可知，3D?03薄壁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)所得的平均載荷和仿真分析結(jié)果的1? 8倍平均載荷大致相同，這是由于仿真時(shí)所采用的屈服強(qiáng)度為不銹鋼材料的最低屈服強(qiáng)度，而3D打印所打印的強(qiáng)度未知。而從載荷的波形上分析易知道，載荷波形的變化曲線基本一致，說(shuō)明仿真分析是有效可行的。

6 結(jié)論

本文在對(duì)竹材微觀結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，提出了具有“節(jié)”結(jié)構(gòu)的仿生薄壁管的設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1）軸向沖擊仿真結(jié)果表明，不加節(jié)仿生吸能結(jié)構(gòu)10B、單節(jié)仿生吸能結(jié)構(gòu)11YP和雙節(jié)仿生吸能結(jié)構(gòu)12YP的比吸能分別為34? 35 kJ／kg、32? 5 kJ／kg、28? 55 kJ／kg，較普通圓管分別提高了61? 4%、52? 7%、23? 68%。仿竹材微觀結(jié)構(gòu)能夠提高薄壁管的吸能特性，但由于金屬與竹材的材料以及各向異性等差異，仿節(jié)結(jié)構(gòu)不能提高金屬薄壁結(jié)構(gòu)的軸向吸能，加“節(jié)”能提高軸向沖擊下的載荷穩(wěn)定性和變形穩(wěn)定性。

2）對(duì)仿竹結(jié)構(gòu)薄壁管進(jìn)行節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得出節(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)薄壁管的吸能影響較小，但可以起到引導(dǎo)變形的作用。倒角處理能夠有效降低薄壁管的初始峰值載荷，提高平均載荷和比吸能。

3）采用3D打印技術(shù)加工出仿竹薄壁結(jié)構(gòu)，并通過(guò)落錘試驗(yàn)測(cè)試其軸向能量吸收，試驗(yàn)與仿真結(jié)果趨勢(shì)表現(xiàn)出一致性。

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（責(zé)任編輯：康金蘭）

Bionic Optimization Design of Thin?walled Energy Absorption Tube Inspired by Bamboo Structure

SONG Jiafeng1，WANG Huixia1，2，GAI Hongjian1，LIU Guomin3，ZOU Meng1?
（1．Key Laboratory for Bionics Engineering of Education Ministry，Jilin University，Changchun 130022，China；2．Shanxi Agricultural University，Jinzhong 030801，China；3．Jilin Construction University，Changchun 130022，China）

According to the characteristics of the microstructure and node of bamboo，three types of thin?walled structure with different inner structures were designed．The simulation results showed that the 10B structure had the greatest SEA（Specific Energy Absorption）of 34? 35 kJ／kg among the structures，which increased by 61? 4%than the circular tubes．Then the double nodes structure of 12YP was optimized and the results showed that the inner diameter of the node had great effects on the energy absorption of thin?walled tube．In addition，the bionic structures were verified by drop weight test and the results demonstrated the consistency of the trend between the simulation and ex?periment．

thin walled structure；bionic design；bamboo absorption；energy structure；drop weight test

TH16

A

1674?5825（2017）04?0473?09

2017?02?26；

2017?07?01

國(guó)家自然科學(xué)基金（51305159，51405191）

宋家鋒，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)耐撞性仿生設(shè)計(jì)。E?mail：674964178＠qq．com

?通訊作者：鄒猛，男，博士，副教授，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)耐撞性仿生設(shè)計(jì)。E?mail：zoumeng＠jlu．edu．cn