基于牛角宏微觀結(jié)構(gòu)的吸能盒抗沖擊特性研究

劉玉璽,謝 軍,李愛華

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 重慶 402260; 2.重慶大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院 教育部生物流變科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400044)

吸能元件的吸能特性有利于提高安全系統(tǒng)的整體耐撞性，在外界載荷作用下吸能元件能依靠自身結(jié)構(gòu)的屈曲變形、壓潰等破壞形式來耗散和吸收碰撞過程中產(chǎn)生的能量[1]。國內(nèi)外對吸能元件的研究主要集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2-4]、新材料的應(yīng)用[5]及泡沫材料填充管等方面[6-7]。將自然界中具有優(yōu)良抗沖擊特性的生物材料應(yīng)用到吸能元件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可為輕量化吸能元件的設(shè)計(jì)提供有益指導(dǎo)。

吸能盒通常安裝在整車碰撞載荷傳遞路徑的起始位置，其吸能特性對提升保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的整體耐撞性起著至關(guān)重要的作用[8]。吸能盒的吸能特性受多種因素的影響，例如吸能盒的尺寸、形狀、表面結(jié)構(gòu)[5]等，以往的研究主要關(guān)注于新材料的應(yīng)用[6]和結(jié)構(gòu)改進(jìn)[4,9]，而本文側(cè)重通過生物仿生來提高吸能盒的吸能特性。

動(dòng)物犄角是自然界中存在的一種具有優(yōu)良抗撞擊力學(xué)性能的變截面管狀生物材料[10]。動(dòng)物犄角的優(yōu)良抗沖擊能力和能量吸收能力越來越引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。Farke[11]通過對含犄角的山羊頭顱進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)山羊犄角具有良好的能量吸收和減震能力。Lee等[12]對幾種生物材料進(jìn)行落錘試驗(yàn)，測試其抗沖擊能力，結(jié)果表明羊犄角的力學(xué)性能表現(xiàn)最為突出。Chen等[13]對牛角和鹿角的力學(xué)性能及其生物特征的研究表明，牛角較鹿角有著更好的力學(xué)性能，但牛角的力學(xué)性能與其濕度[14]和取樣位置有關(guān)[15]。Yu等[16]研究了牛角的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，角質(zhì)殼的極限抗拉強(qiáng)度按遠(yuǎn)端、中端、近端逐漸降低，且縱向的極限抗壓強(qiáng)度高于橫向。孫霽宇等[17]采用納米力學(xué)測試法，研究了牛角角質(zhì)外殼的硬度和彈性模量，結(jié)果表明角質(zhì)外殼的硬度和彈性模量呈梯度變化。于用軍等[18]采用逆向工程技術(shù)提取出牛角的彎曲度曲線，設(shè)計(jì)出一種具有牛角弧度特征的汽車防撞梁，該仿生防撞梁的比吸能較傳統(tǒng)防撞梁的比吸能提高了2.6倍。

通過對犄角研究現(xiàn)狀分析可知，目前對牛角的研究主要集中在力學(xué)實(shí)驗(yàn)、微觀結(jié)構(gòu)特征的觀察及宏觀結(jié)構(gòu)仿生方面，而將牛犄角宏微觀結(jié)構(gòu)特征應(yīng)用到吸能盒的優(yōu)化設(shè)計(jì)中以分析牛角的層狀結(jié)構(gòu)及芯體對抗沖擊特性影響的研究還鮮有報(bào)道。由于牛角與吸能盒在功能、結(jié)構(gòu)和載荷方面均存在相似性，因此，選取牛角作為吸能盒仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)的生物原型。將牛角的優(yōu)良抗沖擊特性應(yīng)用到吸能盒優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出具有牛角結(jié)構(gòu)特征的仿生吸能盒對輕量化、抗沖擊性吸能元件的仿生設(shè)計(jì)具有重要的啟發(fā)意義。

1 牛角結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及仿生設(shè)計(jì)

1.1 牛角結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

?？苿?dòng)物犄角的宏觀幾何構(gòu)型為錐形，其橫截面自下而上逐漸縮小，這和高強(qiáng)度桿狀結(jié)構(gòu)相一致，能最大可能地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高效。本文研究對象為普通水牛犄角(年齡：2～3年)。牛犄角主要由角質(zhì)外殼和骨芯構(gòu)成，如圖1所示，兩者之間的過渡部分為軟組織層，這使得牛犄角在承受大的載荷時(shí)具備高韌性和高抗損傷能力。

根據(jù)掃描電子顯微(SEM，TESCAN VEGA 3 LMH SEM)對牛角縱向斷面的微觀結(jié)構(gòu)特征觀察可知，在垂直于牛角的外表面方向上由多個(gè)纖維層堆疊而成的堆垛結(jié)構(gòu)，各層厚度約為5 μm，如圖2(a)所示。通過對其進(jìn)一步觀察可知，層與層之間有明顯的分界線，并且各個(gè)纖維層在斷口處呈現(xiàn)凹凸?fàn)顢嗔?，這是由于在試樣制作過程中，纖維層被拉斷而造成的。通過對其中某一纖維層的進(jìn)一步觀察可知，纖維層是由一個(gè)個(gè)極小的鱗片緊密堆疊而成，鱗片長度方向沿牛角的縱向，即與牛角的增長方向一致，如圖2(b)所示。水牛角這種特殊的結(jié)構(gòu)對于牛角的高韌性和抗損傷具有非常重要的意義。牛角的堆垛層狀結(jié)構(gòu)使裂紋擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展路徑增長，從而可以耗散更多的斷裂能量。

圖1 牛角宏觀結(jié)構(gòu)組成

圖2 牛角微觀結(jié)構(gòu)

1.2 仿牛角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)對牛角的宏微觀結(jié)構(gòu)特征觀察分析可知：在宏觀上牛角呈圓錐形管狀填充結(jié)構(gòu)，填充物為骨芯，是一種無規(guī)則排列的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)；在微觀上，沿牛角的徑向由多個(gè)纖維層堆疊而成。牛角的多級(jí)結(jié)構(gòu)特征使牛角在碰撞過程中通過吸收能量來達(dá)到自我保護(hù)的目的。由于牛角與汽車吸能盒的結(jié)構(gòu)特征、功能及載荷相似，因此，可通過對牛角的仿生研究為工程用吸能元件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)作用。根據(jù)牛角的宏觀結(jié)構(gòu)特征，將吸能元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圓錐形，圓錐的長為150 mm，錐度為0.14(根據(jù)牛角宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量所得)，大端的直徑為90 mm，仿牛角結(jié)構(gòu)吸能盒幾何模型如圖3所示。

由于角質(zhì)外殼沿其徑向由多個(gè)纖維層堆疊而成[16]，將該多層結(jié)構(gòu)簡化為3層，外層的厚度大于中間層和內(nèi)層，并且外層的厚度最大。另外，由于牛角骨芯呈無規(guī)則排列的多孔結(jié)構(gòu)，故將其骨芯簡化為圓管狀，并用加強(qiáng)筋將仿生外殼與芯體緊密連接，從而設(shè)計(jì)出具有芯體結(jié)構(gòu)特征的仿生管。仿生管模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖3 仿生管幾何模型

外直徑/mm壁厚/mm錐管外層901錐管中層390.5錐管內(nèi)層340.5約束梁—0.4芯體圓管60.4

2 仿牛角結(jié)構(gòu)管沖擊仿真分析

2.1 模型建立

普通錐管狀吸能盒在傳統(tǒng)吸能裝置中具有廣泛的應(yīng)用，為了對比分析仿生管和普通錐管的吸能特性，以及芯體對吸能特性的影響，分別建立了有芯體仿生管、無芯體仿生管及普通圓錐管。普通錐管的外直徑為90 mm，壁厚為2 mm，圓管的長度為150 mm，錐度為0.14。

在仿真時(shí)，材料選用普通鋼，材料密度為7.83×10-6kg/mm3，彈性模量為 2.07×105MPa，泊松比為0.28，對應(yīng)的塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為： (210,0.0)、(300,0.030 9)、(314,0.040 9)、(325,0.05)、 (390,0.151)、(438,0.301)、(505,0.701)、(527,0.91)。錐管的大端固定，約束6個(gè)自由度，上端為剛性墻，剛性墻上添加集中質(zhì)量塊，質(zhì)量為1 000 kg，沿錐管的軸向方向，剛性墻以10 m/s的速度沖擊錐管，并約束沿軸向的沖擊位移為60 mm。接觸方式采用管的自接觸。3種管的軸向沖擊分析有限元模型如圖4所示。

圖4 錐管軸向沖擊分析模型

2.2 軸向沖擊分析

普通圓錐管、無芯體仿生管及有芯體仿生管的質(zhì)量分別為0.153、0.252、0.405 kg。在相同的沖擊條件下，比吸能(有效破壞長度內(nèi)單位質(zhì)量吸收的能量)與時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，在相同的沖擊條件下，仿生管的比吸能大于普通錐管，有芯體仿生管的比吸能大于無芯體仿生管。普通錐管、無芯體仿生管和有芯體仿生管的比吸能分別為11.8、29.06和38.37 kJ/kg。有芯體仿生管的比吸能是無芯體仿生管和普通錐管的1.32倍和3.25倍。因此，仿牛角結(jié)構(gòu)管具有良好的吸能特性，并且牛角的芯體可有效提高牛角在沖擊過程中能量的耗散能力。

圖5 3種吸能盒的比吸能隨時(shí)間的變化關(guān)系

軸向沖擊位移為60 mm時(shí)，3種模型的變形情況如圖6所示。由圖6可知：仿生錐管在軸向沖擊時(shí)，材料的屈曲變形相對穩(wěn)定，各處的變形量較均勻，呈現(xiàn)出從頂端向下逐漸疊縮的形態(tài)。仿生管的這種變形模式可有效提高軸向沖擊時(shí)的吸能特性，薄壁芯體和約束梁的相互疊皺也可吸收大量的能量。因此，在軸向沖擊條件相同的情況下，有芯體仿生管具有較強(qiáng)的吸能特性。該分析結(jié)果表明，牛角在受到外界沖擊載荷時(shí)，其芯體結(jié)構(gòu)的塑形及壓潰變形可吸收大量的沖擊能量，從而提升牛角的抗沖擊載荷。

從無芯體仿生管和普通錐管的沖擊變形情況可以看出，層狀的仿生結(jié)構(gòu)在壓潰截面上存在明顯的層狀結(jié)構(gòu)和約束梁的塑形變形，使其吸能的能力明顯提高。另外，約束梁對各層之間的相互約束有效提高了仿生管的抗沖擊變形能力。因此，牛角結(jié)構(gòu)中的層狀結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)牛角的抗沖擊特性。

圖6 3種模型的變形模式

3 結(jié)論

1) 根據(jù)掃描電子顯微(SEM)對牛角微觀結(jié)構(gòu)特征觀察可知，在垂直于牛角的外表面方向上由多個(gè)纖維層堆疊而成，各層厚度約為 5 μm。通過對其中某一纖維層的進(jìn)一步觀察可知，纖維層又由鱗片緊密堆疊而成，鱗片長度方向沿牛角的縱向，即與牛角的增長方向一致。

2) 在相同的軸向沖擊條件下，有芯體仿生管的比吸能是無芯體仿生管和普通錐管的1.32倍和3.25倍。分析結(jié)果表明，仿牛角結(jié)構(gòu)管具有良好的吸能特性，并且牛角的芯體可有效提高牛角在沖擊過程中能量的耗散能力。

3) 仿生管在軸向沖擊時(shí)，材料的屈曲變形相對穩(wěn)定，各處的變形量較均勻，呈現(xiàn)出從頂端向下逐漸疊縮的形態(tài)，以及薄壁芯體和約束梁的相互疊皺，從而有效提高軸向沖擊時(shí)的吸能特性。

4) 牛角層狀結(jié)構(gòu)和芯體填充結(jié)構(gòu)是經(jīng)過長期自然選擇進(jìn)化的結(jié)果，將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用到吸能盒中，可大大改善吸能盒的抗沖擊能力。