引用格式：
Zheng L, Li FQ, Wang WD, Shi YL. Bionic
corrugated sandwich cylindrical tubes subjected to transverse impact. Structures,
2024, 64:106599.
Highlights:
1. An innovative bionic corrugated sandwich tube is presented.
2. A comprehensive evaluation of crashworthiness of bionic tubes is carried out.
3. A multi-objective optimized design for critical crashworthiness metrics is given.
论文信息：
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352012424007513
论文50天免费下载链接(至2024年7月14日)：https://authors.elsevier.com/c/1j91V8MoIH2azP
DOI: 10.1016/j.istruc.2024.106599
一、研究背景
仿生吸能结构是一种通过模仿自然界生物体的结构和机制来设计的结构，与传统结构相比仿生结构在吸能方面有着巨大的优势和潜力。管结构已被广泛应用于各种领域，如海上平台、桥梁、风力发电塔、地下和海底输油管道等。然而，这些结构在实际操作过程中容易受到各种撞击风险的影响，例如船舶碰撞（图1所示）、车辆撞击和锚击。基于此，团队基于雀尾螳螂虾的虾螯微观结构提出一种新型仿生波纹夹层管（CSCT），对其抗横向冲击性能进行讨论，与普通空钢管（CT）进行对比分析，并对关键参数的影响进行分析。最后，通过多目标优化对关键性参数进行了优化分析。
图1 船舶撞击海洋平台
二、仿生结构设计和耐撞撞性评估参数
受虾螯在捕食过程中高速耐冲击的特性启发，基于图2所示雀尾螳螂虾虾螯内部微观结构，在内管和外管之间引入虾螯内部的近似三角形的仿生微单元。构造了一种截面形状如图3所示仿生波纹夹层管。
为了深入研究仿生夹层管的耐撞性，采用能量吸收（EA）、能量吸收比（EAR）、最大冲击力（MIF）、平均碰撞力（MCF）和能量吸收能力（EAC）为关键耐撞性能指标来量化CSCT的耐撞性。
图2 雀尾螳螂虾虾螯内部微观结构
图3 仿生波纹夹层管截面构造
图4 仿生波纹夹层管有限元模型
三、典型试件对比分析
如图5所示，空管的应力集中主要位于受冲击区域的上表面；相反，仿生管在跨中的上下表面都有明显的应力分布。由于夹层管的多层结构，横向冲击下夹层结构的不同层之间可完成力的传播和重分布，从而使上下表面的应力分布相对均匀。
图5 典型试件破坏模式对比
两个典型试件的曲线总体变化趋势相似，在加载前期，CT迅速达到86.3 kN的最大冲击力（MIF）。此后，CT的冲击载荷略有下降并保持稳定。CSCT的冲击载荷在加载前期有多个局部峰值，最终在稳定阶段增至131.5 kN。CSCT在冲击载荷下的持续时间为62.25 ms，明显短于CT，这是由于仿生波纹夹层管具有额外的能量消耗途径，通过塑性变形机理和荷载传递作用快速的耗散能量。CT的最大整体位移为247.2 mm，CSCT的整体位移为201.7 mm。与CT相比，整体变形量减少了22.6%。
图6 冲击力和位移时程曲线
四、参数分析与多目标优化
对比了关键参数：仿生胞元个数、夹层与外管厚度比、内管与外管厚度比。
如图7所示，随着细胞数的增加，冲击后的最大跨中变形逐渐减小。在6胞到8胞的变化过程中局部压痕仅减少2.5%，EAC也仅提升2.6%，而8胞到10胞局部压痕减少了22.6%，EAC提升了18.2%。结合跨中截面的应力云图可以发现变形的胞元主要集中在被冲击的上表面，水平分布的胞元变形程度和应力水平较低，而下表面胞元几乎不变形，主要起到传递荷载的作用。所以对于冲击荷载作用下起主要作用的是上下表面的胞元，左右两侧的胞元应力水平较低，且越靠近截面水平轴这种现象就越明显。
图7不同仿生胞元数对仿生管跨中变形的影响
图8 不同仿生胞元数的CSCT冲击力和整体位移时程曲线
如图9所示，随着波纹夹层管tc / to比值的增加，结构的变形从整体弯曲和局部压痕的耦合变形逐步退化为较小的局部压痕变形。图10给出了冲击力和整体位移时程曲线，当tc / to比值相对较小时通常会导致结构更大的变形和位移。相反，tc / to比值相对较大时会降低变形程度，但会增加结构的质量和刚度以及峰值冲击力。随着tc / to比值的增大MIF和MCF均呈上升趋势，比值从0.2到1的过程中MCF和MIF分别提升了41.3%和46.2%。
图9不同tc / to对CSCT破坏模式的影响
图10 不同tc / to的CSCT冲击力和整体位移时程曲线
图11 不同tc / to对关键耐撞性参数的影响
整体位移和峰值冲击力随着ti / to比值的增大而逐渐上升，这与ti / to对于耐撞性的影响类似。不同的是，通过改变夹层厚度EAC提升了38%，而通过改变内管厚度仅提升12.6%。这是由于内管是夹层结构的主要承载结构，提供整体结构的刚度，有助于保持结构的形状和稳定性，对于吸能贡献程度较小。
图12 不同ti / to的CSCT冲击力和整体位移时程曲线
图13 不同ti / to对关键耐撞性参数的影响
多目标优化问题以MIF和EAC为目标函数，内管厚度ti，仿生夹层厚度tc以及仿生胞元数为变量，通过响应面元模型建立目标函数与变量之间的代理模型，然后通过非支配排序遗传算法NSGA-II对获取目标函数的Pareto front。通过误差分析，有限元模型和通过代理模型的得到的结果误差小于3%。得到了图15所示的优化结果，优化结果表明，CSCT在横向抗冲击和能量吸收方面具有潜在的工程应用价值。
图14 MIF和EAC的响应面（以12胞为例）
图15 多目标优化结果
五、结论
Conclusions
1
在横向冲击载荷作用下，CT和CSCT都表现出局部压痕和整体弯曲。CT 局部应力集中导致在冲击位置形成较大的塑性变形；CSCT的仿生物夹层能够有效吸收和消散能量，从而显著减少变形。
2
与CT相比，仿生CSCT的EAC分别提高了45.8%，整体变形和局部压痕分别减少了18.4%和54%。
3
仿生胞元数、tc / to和ti / to是影响CSCT耐撞性的关键参数。随着仿生胞元数、tc / to和ti / to的增加，CSCT的MIF、MCF和EAC均逐渐增加。然而，与其他参数相比，ti / to对EAC的影响较弱。
4
通过响应面（RSM）元模型和非支配排序遗传算法（NSGA-II），对不同仿生细胞数（N）的CSCT进行了优化设计。比较了多目标优化得到的帕累托前沿结果，研究结果表明，优化后CSCT具有出色的能量吸收性能，是一种潜在的抗横向冲击吸能结构。
六、相关文献
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作者简介
郑龙：男，辽宁人，讲师。主要从事钢与混凝土组合结构、装配式结构的抗震、抗连续倒塌及抗冲击性能研究。2023年甘肃省优秀博士毕业论文获得者。
2016.09-2019.06，兰州理工大学 土木工程学院 结构工程专业，硕士研究生（导师：王文达教授、史艳莉教授）
李富奇：男，江西人，硕士研究生。主要从事新型吸能结构抗冲击性能研究。2023年硕士研究生国家奖学金获得者。
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Part.6
中空夹层钢管混凝土结构
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Part.7
纤维模型与子程序开发等
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Part.8
装配式钢筋混凝土结构
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Part.9
新型高性能结构材料
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Part.10
新型吸能结构
[1].Zheng Long, Li Fu-Qi, Wang Wen-Da*, Shi Yan-Li*. Bionic corrugated sandwich cylindrical tubes subjected to transverse impact. Structures, 2024, 64: 106599.
[2].Zheng Long, Li Fu-Qi, Wang Wen-Da*. A honeycomb panel-based protective device for steel parking structure against transverse impact. Journal of Constructional Steel Research, 2023, 211: 108203.
编辑：郑 龙
审核：王文达
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王文达课题组
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兰州理工大学土木工程学院王文达课题组
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