仿生多层级柔性轻质结构的设计、制备及力学性能分析

以中华鲟背部骨鳞和鲟鱼皮结构为生物模板,通过结构仿生原理设计出一种新型仿生多层级柔性防护轻质结构。采用尼龙、液态硅橡胶和凯夫拉纤维,通过高温固化成形技术进行制备,有效解决了以往仿生鳞片与基底层连接不牢的问题。利用冲击力学试验对仿生复合结构进行了防护性能分析,并研究了仿生骨鳞结构的夹角γ、嵌入角度θ以及结构之间重叠率Kd的变化对仿生复合结构吸能特性的影响。测试结果表明,具有覆瓦状形态特征的仿生骨鳞结构以及具有纤维铺层的柔性基底结构可显著提高仿生复合结构的抗冲击力学特性。     

镁-镍钛仿生复合材料研制成功

正日前,针对航空航天、精密仪器等领域对于材料减震、吸能等方面的性能需求,中国科学院金属研究所(以下简称金属所)与美国加州大学伯克利分校、中国工程物理研究院开展合作,借鉴天然生物材料三维互穿微观结构的理念,将镁熔融浸渗至增材制造的镍钛合金骨架,构筑成轻质、高强、高阻尼、高吸能镁-镍钛仿生复合材料。该研究基于对自然界神奇"结构-性能关系"的理解,利用微观三维互穿仿生结构研制出新型仿生复合材料,不仅实现了镍钛增强相与镁基体在性能优势上的互补     

多元胞结构在机车吸能装置中的应用

在车辆被动安全防护中,吸能部件的设计研究是其基本的一个环节.设计耐碰撞机车吸能装置可在车辆发生碰撞后迅速更换损坏部件,减少维修周期,节约维修成本.薄壁金属吸能结构作为一种高强重比、低成本、高吸能效率的结构,广泛应用于飞机、汽车、铁路列车和轮船等几乎所有交通工具的碰撞动能耗散系统中.对四元胞正方形结构和几种常规截面形状单...     

圆形子胞驱动的层级柱状结构在轴向载荷下的抗冲击性研究

为了解决单胞薄壁结构能量吸收效率低的缺陷，进一步改善薄壁结构的防护吸能性能，提出一种基于圆形子胞元的层级柱状结构设计方法，建立方形与圆形层级薄壁柱的几何与数值模型，采用试验研究调查了层级柱状结构的轴向抗冲击性能，发现层级柱状结构吸能性能大大优于相同质量下的单胞薄壁结构；此外，进一步数值调查了层级柱状结构的几何参数(薄壁壁厚t、子胞元直径D)对其吸能特性的影响，发现壁厚t对层级柱的吸能特性有积极作用，且壁厚与子胞元直径的比值t/D对结构的变形模式具有决定性作用。因此，研究也形成了基于壁厚与子胞元直径比值t/D的层级柱状结构设计准则。此外，进一步基于超折叠单元理论对层级柱状结构的平均碰撞力展开了理论预测研究，推导了层级柱状结构在渐进折叠模式下平均碰撞力的理论预测模型，进一步揭示了层级柱状结构的变形与吸能机制与平均碰撞力的内在联系，并且，不同壁厚下方形层级与圆形层级柱状结构的理论预测与数值结果具有较好的一致性，从而验证了层级柱状结构的平均碰撞力理论模型的预测精度。研究结果对具有高吸能效率的轻质薄壁结构的设计具有好的指导意义。     

杨桃启发的仿生星形薄壁结构耐撞性研究

薄壁吸能结构在航空航天和交通运输等领域发挥着重要作用。受具有出色抗压特性的杨桃果实启发,设计了仿生星形薄壁结构。通过有限元仿真、实验和理论分析结构变形和吸能机制,讨论截面形状和几何参数对薄壁结构吸能特性的影响。探究了层级设计与加强筋配置对星形薄壁结构耐撞性的优化效果。结果表明,星形薄壁结构具有规则的渐进折叠变形机制,其比吸能、压溃力效率等耐撞性能大幅优于常见截面的薄壁结构,具有良好的工程应用潜力。     

负泊松比蜂窝结构胞元几何参数影响研究

针对某负泊松比蜂窝结构的胞元弧夹角、连杆长、外厚度、厚度比及长高比五个几何参数进行了影响研究.采用均匀试验设计方法,得到吸能量、比吸能、峰值碰撞力及等效泊松比四种评价指标关于各几何参数的拟合方程;在此基础上进行多目标优化设计,选取合适的胞元几何参数值.结果 表明胞元弧夹角、连杆长对蜂窝结构的比吸能影响较大,外厚度及厚度比对结构峰值碰撞力及吸能量影响较大,而等应变下外厚度对结构等效泊松比基本无影响,长高比对结构的吸能量及等效泊松比影响较大.综合选取的优化尺寸比原尺寸具有更高的吸能防护抗冲击效果,碰撞力远低于原尺寸模型且更加平稳.     

小型翼结构仿生设计与试验分析

小型翼结构设计主要是确定翼梁、翼肋的形式、分布和尺寸,以满足机翼结构强度、刚度要求.生物骨架以其结构、材料的合理分布和组合满足生物体的多种功能需求,为飞行器结构仿生设计提供了不竭灵感.叶脉形状为椭圆形空心管,并且尺寸沿轴线逐渐减小,最主要结构特征是倾斜、交错、分叉,以适应不同部位应力分布特点.在分析小型翼结构设计特点的基础上,借鉴叶脉结构特征,利用相似原理,设计仿生型机翼结构.有限元分析表明,仿生机翼比原型机翼具有更高的结构效能.采用选择性激光烧结(Selective laser sintcring,SLS)技术制作原型与仿生型机翼样件,并对其进行静力弯曲试验,与原型机翼相比,仿生型机翼质量、变形、应力都相应减少,证实了小型翼结构仿生设计的有效性和有限元分析的可靠性.     

自相似仿生层次多胞薄壁管的耐撞性研究及优化

仿生结构以其优异的力学性能被广泛的应用于各种机械结构中。为了提高薄壁结构的耐撞性,将结构仿生学概念引入其结构设计中,提出了一种新型的多胞薄壁吸能结构。采用了理论和数值模拟技术对0~2阶次层次截面的薄壁结构进行对比分析,结果表明:随着仿生层次结构的不断增加,仿生薄壁结构的吸能特性与变形模式进一步提升。同时,结合响应面法和遗传算法对2阶层次截面的薄壁结构进行了优化,并得到了相应的Pareto前沿图,为薄壁结构的耐撞性设计提供了新思路。     

基于仿生微圆结构的汽车吸能盒耐撞性分析

为提高汽车吸能盒的耐撞性,受甲虫鞘翅微观结构启发,研究了一种可应用于吸能盒结构设计的仿生微圆结构。建立了仿生微圆结构的有限元模型,对比分析了仿生微圆结构与传统肋板结构的吸能特性。基于简化超折叠单元理论,推导了仿生微圆结构在轴向载荷下的平均压溃力理论解。研究结果表明：与传统肋板结构相比,仿生微圆结构的能量吸收效率提高了32.20％以上,且理论解与试验结果的吻合度较高。     

基于龟壳结构的深孔钻床床身筋板仿生优化设计

生物体的结构能够以轻质高效的材料分布满足较好的力学性能,为机床关键件的结构选型提供了1种新方法。针对Z8016深孔钻床床身传统的筋板布局,结合乌龟壳结构的构型规律,利用结构仿生的方法对其进行了优化设计。首先对原型床身进行了有限元分析,根据其应力、变形云图结合龟壳结构的构型特点,确定了1种拱形与竖直筋板相结合的新型床身筋板结构,并对仿生结构进行了静力及模态分析。结果表明,相对于原结构,仿生型筋板结构的最大变形减少了11.11%,质量减少了6.44%,比刚度效能提高了18.88%,前5阶固有频率平均提高了3.27%,静动态性能均有显著提高,且实现了轻量化设计。     

基于等刚度条件的薄壁结构的一种材料替代轻量化设计分析方法

通过对板壳结构有限单元的弯曲应变能和膜应变能进行分析,得到一个采用不同材料的薄壁结构的刚度之间的近似解析关系式。将其与结构刚度的有限元计算分析过程相结合,提出一种不同材料但等刚度的薄壁结构的迭代设计方法和材料替代轻量化分析方法。分析得到的薄壁结构关于板壳的弯曲应变能占总的应变能的比例  的等刚度曲线,可用于直观地评价材料替代得到的等刚度结构的轻量化效果,可指导薄壁结构的轻量化设计。分析表明,材料替代对薄壁结构刚度的影响不仅与材料的弹性特性和板壳厚度相关,还与给定载荷下结构的  参数相关。对于铝板替代钢板的薄壁结构设计问题, 越高,则等刚度铝板结构的轻量化效果越明显。通过对一个悬臂薄壁钢板曲梁结构和一个典型车身接头结构的材料替代设计和轻量化分析,验证了提出的设计、分析方法的有效性和结论的正确性。     

燃料电池仿生密封结构的设计与仿真

针对目前质子交换膜燃料电池密封不严导致的电化学性能低和泄漏等问题,从仿生学角度出发,以自然界的鲨鱼牙齿和扇贝壳作为仿生原型,对燃料电池的密封双极板结构进行仿生结构设计,提出4种仿生密封双极板结构,并建立密封双极板的接触力学模型,最后在有限元分析软件ABAQUS和ANSYS Fluent中开展仿生密封双极板与常规密封双极板的仿真对比试验。结果表明：仿生密封双极板接触面上的应力更大,两接触面的结合更加紧密;仿生密封双极板一凸一凹的镶嵌结合方式,减小了泄漏通道的有效高度,增大了泄漏阻力,可有效防止泄漏的发生;仿生密封双极板具有流固耦合密封效应,在双极板之间存在多个阻断面和空腔,可对流体造成明显的压差损失,能有效避免流体的泄漏。     

帽形截面耐撞薄壁结构的棱边强化与优化设计

为了满足车身轻量化要求,乘用车耐撞车身的关键承载结构越来越多采用超高强度薄钢板制作。但是为减小板厚而提高材料强度可能引发平板屈曲,导致薄壁箱型结构受压侧的极限承载力的降低。为此,根据平板和圆柱壳棱边的屈曲理论,讨论帽形截面的薄壁箱型结构受压侧的有棱边强化平板的后屈曲极限承载力。通过CAE数值模拟,求得单向均匀压缩带棱边强化平板的横截面应力分布和极限承载力。从而明确用棱边强化钢板部件替代热成形钢板部件在乘用车耐撞结构中应用的可行性。最后,梳理了棱边强化设计应用的前景和后续待研究的课题。     

机床结构轻量化设计研究进展

对机床进行优化的结构构型设计,使得材料在机床结构空间内更加合理地分布和有效地利用,一直都是机床设计工作者追求探索的目标。论述机床构型和结构件轻量化设计的研究历程和技术发展,对机床结构轻量化设计中常用的现代设计方法:参数优化、结构拓扑优化、多方法综合结构设计、仿生优化设计方法进行具体技术介绍和综合评述,并对近年兴起的仿生优化设计方法进行从方法、实现手段和轻量化效果等方面重点分析和评述,对机床构型和结构件轻量化设计研究的未来发展提出展望。     

基于APDL和分层优化技术的高速加工中心工作台的仿生优化

针对高速加工中心高加工精度和轻量化的设计要求,设计了两种有不同筋板结构的工作台,一种采用传统设计方法,另一种基于仿生学的设计;基于CAD/CAE一体化技术对其进行有限元分析;基于APDL和分层优化技术对优势明显的仿生设计工作台的筋板的尺寸进行了优化,得到了筋板的最优尺寸;通过静态分析和模态分析验证了优化方案的优越性,为实际生产提供指导,通过对生物优异特性的模拟、整理、分析、提炼,从而构思设计出具有类似于生物特征的一种新的设计思维的方法。     

泡沫填充薄壁结构的抗弯性分析及多目标优化设计*

泡沫铝填充薄壁结构具有轻质、较大承载能力以及高效吸能特性,越来越多地应用于各种工程结构。提出一种新颖的轴向梯度泡沫填充薄壁结构,采用试验与数值分析的方法,系统地分析空管、均匀泡沫填充及梯度泡沫填充薄壁圆管在弯曲工况下的力学响应及能量吸收特性。研究发现,泡沫填充薄壁结构比空管具有更好的抗弯性能。与均匀泡沫填充结构相比,梯度泡沫不仅使得填充薄壁结构的变形模式从单褶皱模式变为多褶皱模式,截面扁化量和抗弯刚度损失显著减小,而且有效地提高了填充结构的承载力及吸能特性。为了进一步探索填充结构的最优耐撞性,结合Kriging近似技术与粒子群数值优化方法,对均匀泡沫和功能梯度填充泡沫薄壁结构进行多目标优化设计,得到了泡沫填充薄壁结构耐撞性的最佳参数匹配设计,并有效提高了结构的抗弯性能,为泡沫填充薄壁结构抗弯性设计提供了参考依据。     

Deformation and energy absorption of aluminum foam-filled tubes subjected to oblique loading

Research to quantify the energy absorption of empty and foam-filled tubes under oblique loading with different loading angles and geometry parameters was carried out. Tests on circular tubes made of aluminum alloy AA6063 under quasi-static axial or oblique loading were performed. The collapse behavior of empty, foam-filled single and double tubes was investigated at loading angles of 0°, 5°, 10° and 15° with respect to the longitudinal direction of the tube. The tubes were fixed at both ends and oblique load was realized by applying a load at the upper end of a pair of specimens. When the foam-filled tubular structures subjected to oblique quasi-static loading, some new deformation modes, such as spiral folding mode, irregular extensional folding mode and irregular axi-symmetric or diamond deformation mode, were identified and ascribed to the bending of tubes and shearing of foam filler, as well as the interaction between the tubes and the foam. The energy absorption characteristics of empty and foam-filled single and double tube structures with respect to the load angle and wall thickness are determined. It is found that the energy-absorbing effectiveness factors of the circular tube structures with aluminum foam core are significant higher than those of the empty tubes and the energy absorption capacity of the foam-filled double tubes is better than that of the empty and foam-filled single tubes.