CN115640658A - 一种多目标生物仿生多层级管状吸能结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及吸能结构技术领域，特别涉及一种多目标生物仿生多层级管状吸能结构。针对现有吸能结构在提高比吸能的同时提高了结构的初始峰值载荷的问题，根据马尾草和竹维管束结构及分布特征的启发，设计了一种新型的多目标生物仿生多层级管状吸能结构，包括同心且同等间隔设置的至少两个圆管，由内向外依次为零层级管至N层级管。相邻的两个所述圆管之间形成一个空腔，由内至外依次为一级空腔至N级空腔，在所述一级空腔至N级空腔中，每级空腔内均设置数个连接方管。连接方管对角线指向圆管圆心。本发明可以在不增加初始峰值载荷的前提下，提高结构的总吸能、比吸能、平均压碎力以及压碎力效率，提升结构的吸能能力。

Description

一种多目标生物仿生多层级管状吸能结构

技术领域

本发明涉及吸能结构技术领域，特别涉及一种多目标生物仿生多层级管状吸能结构。

背景技术

薄壁管状结构因为具有质量轻、强度高、吸能效果好、成本低的特性，被作为吸能结构广泛应用于车辆、高铁、飞行器等交通领域的抗冲击安全领域。使用仿生设计理念设计的薄壁管状结构吸能性能得到有效改善，但是当前大部分研究均集中在一种特定生物的仿生设计上，在提高结构比吸能的同时提高了结构的初始峰值载荷，正逐渐难以满足实际需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多目标生物仿生多层级管状吸能结构，解决现有仿生结构在提高结构比吸能的同时提高了结构的初始峰值载荷的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

本发明根据马尾草和竹维管束结构及分布特征的启发，设计了一种新型的多目标生物仿生多层级管状吸能结构，包括同心且同等间隔设置的至少两个圆管，由内向外依次为零层级管至N层级管。相邻的两个所述圆管之间形成一个空腔，由内至外依次为一级空腔至N级空腔，在所述一级空腔至N级空腔中，每级空腔内均设置数个连接方管。连接方管对角线指向圆管圆心。

进一步的，所述连接方管的数量分布规律满足以下公式：

Y_n＝a×2^n-1

其中，Y_n表示第n级空腔中连接方管的个数，a表示一级空腔中连接方管的个数，n表示空腔层级。

进一步的，所述连接方管的总数量满足以下公式：

Y＝a×2^m-1

其中，Y表示各级空腔中连接方管总个数，a表示一级空腔中连接方管的个数，m表示总层级。进一步的，所述连接方管截面形状为正方形或菱形管。

进一步的，所述连接方管在各级空腔中等间距排列，相邻两级空腔部分连接方管对角线重合。与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的受马尾草茎截面结构和竹维管束外形及分布特征启发的多目标生物仿生多层级管状吸能结构可以在不增加初始峰值载荷的前提下，提高结构的总吸能、比吸能、平均压碎力以及压碎力效率，提升结构的吸能能力。

附图说明

本发明附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的俯视图；

图3是本发明实施例2的结构示意图；

图4是本发明实施例2的俯视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

实施例1

参见图1和图2所示，本发明实施例为多目标生物仿生一级管状吸能结构，提供的多目标生物仿生一级管状吸能结构包括两个同心且同等间隔设置的两个圆管，内侧圆管标记为零级管1，外侧圆管标记为一级管2，零级管1与一级管2之间为一级空腔，一级空腔内设置四个连接方管3。连接方管3对角线指向零级管1圆心。所述连接方管3截面形状为正方形。

所述连接方管3的数量分布规律满足以下公式：

Y_n＝4×2^n-1

其中，Y_n表示第n级空腔中连接方管3的个数，4表示一级空腔中连接方管3的个数，n表示层级。在本实施例中，n为1。

所述连接方管3的总数量满足以下公式：

Y＝4×2^m-1

其中，Y表示各级空腔中连接方管3总个数，4表示一级空腔中连接方管3的个数，m表示层级。在本实施例中，m为1。

实施例1的有限元仿真实验

管壁的材料采用AA6061 O铝合金，材料杨氏模量E＝68.2GPa，密度ρ＝2.7×103kg/m³，泊松比μ＝0.3，屈服强度σ＝80MPa，LS-DYNA中采用MAT(024)材料模型。多目标生物仿生多层级管状吸能结构高100mm，顶部被500kg重的刚性板以10m/s的恒定速度碰撞，管底部固定在刚性地面上，碰撞时间设置为8s。管壁之间接触采用自动单面接触算法(Automatic singlesurface)，刚性板与管之间接触采用自动面与面接触算法(Automaticsurface to surface)。静、动摩擦系数均设置为0.2。

在有效压溃距离内，普通圆管吸收的能量为3.41kJ，比吸能为30.35J/g，平均压碎力为46.33kN，峰值破碎力为67.08kN，压碎力效率为69.31％。本实施例1吸收的能量为4.01kJ，比吸能为35.78J/g，平均压碎力为54.48kN，峰值破碎力为67.7kN，压碎力效率为80.48％。

实施例2

参见图3和图4所示，本发明实施例2为多目标生物仿生三级管状吸能结构，提供的多目标生物仿生三级管状吸能结构包括两个同心且同等间隔设置的四个圆管，内侧圆管标记为零级管1，外侧圆管标记为三级管4，零级管1与一级管2之间为一级空腔，一级空腔内设置四个连接方管5。连接方管5对角线指向零级管1圆心。所述连接方管5截面形状为正方形。所述相邻两级空腔部分连接方管对角线重合。

所述连接方管5的数量分布规律满足以下公式：

Y_n＝4×2^n-1

其中，Y_n表示第n级空腔中连接方管5的个数，4表示一级空腔中连接方管5的个数，n表示层级。在本实施例中，n为3。

连接方管5的总数量满足以下公式：

Y＝4×2^m-1

其中，Y表示各级空腔中连接方管5总个数，4表示一级空腔中连接方管5的个数，m表示层级。在本实施例中，m为3。

实施例2的有限元仿真实验

管壁的材料采用AA6061 O铝合金，材料杨氏模量E＝68.2GPa，密度ρ＝2.7×103kg/m³，泊松比μ＝0.3，屈服强度σ＝80MPa，LS-DYNA中采用MAT(024)材料模型。多目标生物仿生多层级管状吸能结构高100mm，顶部被500kg重的刚性板以10m/s的恒定速度碰撞，管底部固定在刚性地面上，碰撞时间设置为8s。管壁之间接触采用自动单面接触算法(Automatic singlesurface)，刚性板与管之间接触采用自动面与面接触算法(Automaticsurface to surface)。静、动摩擦系数均设置为0.2。

在有效压溃距离内，普通圆管吸收的能量为3.41kJ，比吸能为30.35J/g，平均压碎力为46.33kN，峰值破碎力为67.08kN，压碎力效率为69.31％。本实施例2吸收的能量为4.12kJ，比吸能为36.71J/g，平均压碎力为55.98kN，峰值破碎力为67.67kN，压碎力效率为82.72％。

综上，本申请提供的受马尾草茎截面结构和竹维管束外形及分布特征启发的多目标生物仿生多层级管状吸能结构在与方管相同质量的情况下，层级的引入可以在不增加初始峰值载荷的前提下，提高结构的总吸能、比吸能、平均压碎力以及压碎力效率，具有优异的渐进变形模式，提升结构的吸能能力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

此外，在不脱离本发明的范围的情况下，对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种多目标生物仿生多层级管状吸能结构，其特征在于：包括同心且同等间隔设置的至少两个圆管，由内向外依次为零层级管至N层级管；相邻的两个所述圆管之间形成一个空腔，由内至外依次为一级空腔至N级空腔，每级空腔内均设置有多个连接方管，所述连接方管对角线指向圆管圆心。

2.根据权利要求1所述的一种多目标生物仿生多层级管状吸能结构，其特征在于：所述连接方管的数量分布规律满足以下公式：

Y_n＝a×2^n-1

其中，Y_n表示第n级空腔中连接方管的个数，a表示一级空腔中连接方管的个数，n表示空腔层级。

3.根据权利要求2所述的一种多目标生物仿生多层级管状吸能结构，其特征在于：所述连接方管的总数量满足以下公式：

Y＝a×2^m-1

其中，Y表示各级空腔中连接方管总个数，a表示一级空腔中连接方管的个数，m表示总层级。

4.根据权利要求1所述的一种多目标生物仿生多层级管状吸能结构，其特征在于：所述连接方管截面形状为正方形或菱形管。

5.根据权利要求1所述的一种多目标生物仿生多层级管状吸能结构，其特征在于：所述连接方管在各级空腔中等间距排列，相邻两级空腔部分方管对角线重合。

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