仿竹结构耐撞薄壁管及其能量吸收机制研究

The thin-walled tube is not only the main components of the vehicles, spacecraft and weapons, but also an important energy absorption component. With the improvement of the lightweight design and security requirements, there are facing the theories, methods and technical challenges to improve the energy absorption efficiency of the thin - walled tube. In order to bear the weight and the load of growth environment in nature, many biologies characterized lightweight tubular structure, and had excellent mechanical properties ,which can provide a reference to optimize the thin-walled tube. The project select bamboo as the bionic prototype, and study how to improve the energy absorption of thin-walled tube, under condition that ensuring the radial strength and stiffness. The dynamic mechanical responses, energy absortion and the macro - micro structure of bamboo will be studied by experimental, and the multi - scale deformation, peel and fracture will be also analyzed during impact, the relationship model between the bamboo macro - micro structure and crashworthiness will be built. The crashworthiness structure and key parameters of bamboo will be used to optimize the thin-walled tube by bionic design, and the preparation methods and processing will be studied. Deformation modes and control methods of bionic thin-walled tube will be investigated by drop - weight test, explicit finite element simulation and impact dynamics theory. The mechanism of energy absorption will be revealed by analyzing the influence of the bionic factors to the energy absorption. At last, the bionic design method for thin-walled tube will be proposed based on the above research. The research would provide a new idea to optimize structural crashworthiness, which has great scientific significance and prtential application prospects in engineering.

薄壁管不仅是车辆、航天器和武器等的主要结构，也是重要的能量吸收元件，随着轻量化设计的增多和安全性要求的提高，优化其能量吸收性能面临着理论、方法和技术上的挑战。自然界中，为承受自身的质量及生长环境的载荷，许多生物采用了轻质的管状结构，并体现出优良的力学性能，这为薄壁管优化提供了参考。本项目选取竹子为仿生对象，在保障薄壁管径向强度和刚度的条件下，以提高其能量吸收为研究目标。试验研究竹子的动态力学性能、能量吸收特性和宏微观结构，分析竹子在冲击过程中多尺度的变形、剥离和断裂，构建竹结构与耐撞性之间的物理模型。运用仿生学方法将竹子的耐撞性结构应用到薄壁管的设计中，并研究其制备方法和工艺。通过落锤试验、有限元仿真和冲击动力学理论，探讨仿生耐撞薄壁管的变形模式及控制方法，分析仿生因素对能量吸收的影响规律，揭示能量吸收机制。研究成果可为结构耐撞性设计提供新思路，具有重要的科学意义和工程应用前景。

薄壁管不仅是车辆、航天器、武器和飞机等的主要结构，也是重要的能量吸收元件，随着轻量化设计的增多和安全性能要求的提高，在保障薄壁管强度和刚度的条件下，提高其能量吸收性能面临着理论、方法和技术上的挑战。本研究通过结构仿生原理将竹结构应用到薄壁管的设计中，进而提高了其能量吸收特性，主要内容和重要结果如下：.本研究以毛竹(Phyllostachy pubescens)为研究对象，通过动态拉伸试验和落锤冲击试验，得到1年生竹材的抗拉强度是251MPa，比强度是2A12铝合金的1.85倍；在落锤冲击试验中，带节试样与节间试样总吸能分别为568.47J和409.3J，比吸能分别为9.96J/g和5.21J/g，分别与钢管和铜管的比吸能接近。通过微观形貌分析得出维管束从竹青到竹黄的梯度分布密度为18:9:4；通过宏观形貌分析得出，节间距沿着生长方向的变化规律为正态分布，而直径自下而上（沿着生长方向）呈线性减小。.根据竹子的结构和力学特征，设计了仿竹吸能结构。根据竹材梅花状维管束的形貌，沿径向设计了仿生截面单元，并根据维管束从竹青到竹黄的梯度分布规律，设计了仿生单元的分布模式。为了提高薄壁管的径向承载能力，根据竹子的宏观特征，沿轴向设计了仿竹节结构和变直径特征。项目共设计仿生吸能结构3类：无节仿生管、带节仿生管和变直径仿生管。.通过有限元仿真分析了仿生吸能结构的能量吸收特性，得到：轴向冲击时，1号仿生管的比吸能最大，为36.7 kJ/kg，比普通圆管提高了4.3倍；径向冲击时，普通圆管的平均载荷为11 kN，1号仿生管平均载荷为25.9 kN；1号仿生管的抗弯强度为22.5MPa，比四晶胞管的抗弯强度提高了1.5倍。通过响应面法对仿生结构进行了优化，得出最优尺寸为：仿生单元厚度为1 mm，仿生内管的厚度为0.628 mm。优化后仿生管的始峰值载荷和比吸能分别为157.57 kN和34.33 kJ/kg。最后，通过机械加工和3D打印制备了3类11个仿生吸能管结构，通过落锤试验测试了其轴向能量吸收，试验与仿真结果趋势一致。仿真和试验结果表明，项目提出的仿竹吸能结构设计方法可行，可为吸能结构设计提供理论和技术依据。.