固~仿生甲虫鞘翅在轴向压缩下的新设计及能量吸收特性研究

文摘   2025-01-09 21:01   安徽  


摘要

本文以甲虫鞘翅的微观结构为灵感,提出了一种基于分形原理的仿生多细胞管保护结构,并对其吸能特性进行了研究。首先,提取了甲虫鞘翅的典型微观结构:双枝结构(A型)、三枝结构(B型)和混合枝结构(C型)。在此基础上,设计了三种类型的仿生多细胞薄壁圆管,并通过实验验证了有限元模型的可靠性。其次,利用LS-DYNA软件对三组BMTCs的吸能特性和破碎机理进行对比分析,建立BMTCs平均破碎力(Fm)的解析表达式;结果表明,B型吸能结构具有较好的综合吸能特性。与传统的肋结构相比,BMTCs的比能吸收提高了36.75%。此外,当中心柱与三肋连接时,中心柱具有最佳的抗变形能力。理论解与数值模拟结果吻合较好。因此,研究结果为吸能保护装置的设计提供了启发,并为吸能特性分析提供了理论指导。

研究亮点



结论

本文提出了一种基于分形原理的仿生多细胞管防护结构。通过有限元数值模拟、理论分析和实验验证,系统研究了新型结构的吸能特性、破碎机理和平均力预测表达式。得出以下结论:(1)基于分形原理,将甲虫鞘翅微观结构特征分为A型和B型,将A型和B型结合设计为C型。根据三种结构特征,设计了三种BMTCs缓冲结构,使仿生设计更加可靠。

(2)大部分能量吸收指标的特性随质量的变化而变化,且变化规律基本一致。B型吸能结构的综合吸能特性最好。同时,将B3与传统的加肋结构(无中心柱)进行对比,通过在肋的交叉处增加中心柱,可以有效改善B3的吸能特性,说明中心柱在缓冲破碎过程中发挥了重要作用。B3的结构为吸能管的耐撞性增强提供了指导。

(3)在同一结构中,中心柱结构坍塌时不同位置的抗变形能力不同。当与中心柱连接的筋数为3根时,在这些筋的支撑下,中心柱离中心轴产生的位移较小,且具有良好的变形稳定性,结构更加稳定。因此,三肋连接的中心柱结构具有最佳的抗变形能力,耗散了更多的冲击能。

(4)基于SSFE理论,将B3结构划分为3个基本单元,提出了适用于BMTCs的平均力预测表达式。由理论公式可知,结构参数对吸能特性的影响顺序为t > d > n。此外,理论解与数值模拟结果吻合较好,表明预测表达式的准确性。然而,需要更多的实验来进一步验证该理论的适用性和可靠性。

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