《仿竹結構耐撞薄壁管及其能量吸收機制研究》是依託吉林大學，由鄒猛擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：仿竹結構耐撞薄壁管及其能量吸收機制研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：鄒猛
- 依託單位：吉林大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
薄壁管不僅是車輛、太空飛行器和武器等的主要結構，也是重要的能量吸收元件，隨著輕量化設計的增多和安全性要求的提高，最佳化其能量吸收性能面臨著理論、方法和技術上的挑戰。自然界中，為承受自身的質量及生長環境的載荷，許多生物採用了輕質的管狀結構，並體現出優良的力學性能，這為薄壁管最佳化提供了參考。本項目選取竹子為仿生對象，在保障薄壁管徑向強度和剛度的條件下，以提高其能量吸收為研究目標。試驗研究竹子的動態力學性能、能量吸收特性和宏微觀結構，分析竹子在衝擊過程中多尺度的變形、剝離和斷裂，構建竹結構與耐撞性之間的物理模型。運用仿生學方法將竹子的耐撞性結構套用到薄壁管的設計中，並研究其製備方法和工藝。通過落錘試驗、有限元仿真和衝擊動力學理論，探討仿生耐撞薄壁管的變形模式及控制方法，分析仿生因素對能量吸收的影響規律，揭示能量吸收機制。研究成果可為結構耐撞性設計提供新思路，具有重要的科學意義和工程套用前景。
結題摘要
薄壁管不僅是車輛、太空飛行器、武器和飛機等的主要結構，也是重要的能量吸收元件，隨著輕量化設計的增多和安全性能要求的提高，在保障薄壁管強度和剛度的條件下，提高其能量吸收性能面臨著理論、方法和技術上的挑戰。本研究通過結構仿生原理將竹結構套用到薄壁管的設計中，進而提高了其能量吸收特性，主要內容和重要結果如下： 本研究以毛竹(Phyllostachy pubescens)為研究對象，通過動態拉伸試驗和落錘衝擊試驗，得到1年生竹材的抗拉強度是251MPa，比強度是2A12鋁合金的1.85倍；在落錘衝擊試驗中，帶節試樣與節間試樣總吸能分別為568.47J和409.3J，比吸能分別為9.96J/g和5.21J/g，分別與鋼管和銅管的比吸能接近。通過微觀形貌分析得出維管束從竹青到竹黃的梯度分布密度為18:9:4；通過巨觀形貌分析得出，節間距沿著生長方向的變化規律為常態分配，而直逕自下而上（沿著生長方向）呈線性減小。 根據竹子的結構和力學特徵，設計了仿竹吸能結構。根據竹材梅花狀維管束的形貌，沿徑向設計了仿生截面單元，並根據維管束從竹青到竹黃的梯度分布規律，設計了仿生單元的分布模式。為了提高薄壁管的徑向承載能力，根據竹子的巨觀特徵，沿軸向設計了仿竹節結構和變直徑特徵。項目共設計仿生吸能結構3類：無節仿生管、帶節仿生管和變直徑仿生管。 通過有限元仿真分析了仿生吸能結構的能量吸收特性，得到：軸向衝擊時，1號仿生管的比吸能最大，為36.7 kJ/kg，比普通圓管提高了4.3倍；徑向衝擊時，普通圓管的平均載荷為11 kN，1號仿生管平均載荷為25.9 kN；1號仿生管的抗彎強度為22.5MPa，比四晶胞管的抗彎強度提高了1.5倍。通過回響面法對仿生結構進行了最佳化，得出最優尺寸為：仿生單元厚度為1 mm，仿生內管的厚度為0.628 mm。最佳化後仿生管的始峰值載荷和比吸能分別為157.57 kN和34.33 kJ/kg。最後，通過機械加工和3D列印製備了3類11個仿生吸能管結構，通過落錘試驗測試了其軸向能量吸收，試驗與仿真結果趨勢一致。仿真和試驗結果表明，項目提出的仿竹吸能結構設計方法可行，可為吸能結構設計提供理論和技術依據。
