西交大王玲團(tuán)隊(duì)：高吸能仿生3D打印抗沖擊結(jié)構(gòu)

來(lái)源：國(guó)際仿生工程想學(xué)會(huì)

1 研究背景及目的
從航空航天到運(yùn)動(dòng)裝備，社會(huì)對(duì)吸能結(jié)構(gòu)的需求逐漸增加。吸能結(jié)構(gòu)需兼具輕量化、低初始峰值力和優(yōu)異的吸能性能，然而現(xiàn)有結(jié)構(gòu)如薄壁、晶格等在高速?zèng)_擊下易發(fā)生不穩(wěn)定變形或出現(xiàn)應(yīng)力集中。相較之下，自然界中啄木鳥(niǎo)展現(xiàn)出顯著的吸能優(yōu)勢(shì)，但是現(xiàn)有仿生結(jié)構(gòu)多需較大體積或多材料制造，限制了其在有限空間內(nèi)的應(yīng)用。因此，本研究從輕量化、易制造角度出發(fā)，通過(guò)啄木鳥(niǎo)頭部仿生設(shè)計(jì)，提出一種可實(shí)現(xiàn)寬范圍可控吸能的結(jié)構(gòu)，為更好服務(wù)于工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 論文亮點(diǎn)
(1) 設(shè)計(jì)并通過(guò)PBF 3D打印技術(shù)制造了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且吸能可控的仿生雙層抗沖擊結(jié)構(gòu)。

(2) 采用有限元分析方法，系統(tǒng)研究了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)吸能性能的影響。

(3) 通過(guò)調(diào)整仿生雙層抗沖擊結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)寬范圍的吸能性能調(diào)控。

(4) 設(shè)計(jì)的雙層抗沖擊結(jié)構(gòu)比吸能為現(xiàn)有吸能結(jié)構(gòu)比吸能的1.5至13倍。

Fig. 1. Impact resistance principle of the woodpecker's head: (a) Schematic diagram of the hyoid bone; (b) Microstructure of the hyoid bone (K represents the keratin sheath and PG represents the central bone); (c) Microstructure of the beak.

3 試驗(yàn)方法
本研究從理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三方面對(duì)仿生結(jié)構(gòu)的吸能特性進(jìn)行了分析。首先從理論分析和數(shù)值模擬入手，明確了結(jié)構(gòu)參數(shù)與受力之間關(guān)系，同時(shí)明晰了結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的吸能范圍。然后采用自主研發(fā)的SLM 350打印設(shè)備對(duì)雙層抗沖擊結(jié)構(gòu)和其中的類(lèi)圓環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行制造，使用掃描電子顯微鏡對(duì)結(jié)構(gòu)的打印質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，觀察結(jié)構(gòu)是否有明顯缺陷。最后使用電液伺服萬(wàn)能測(cè)試機(jī)對(duì)打印的吸能結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行壓縮測(cè)試，觀察結(jié)構(gòu)的壓縮響應(yīng)。

Fig. 2. Schematic diagram of the biomimetic double-layer impact-resistant structure.

4 結(jié)果
研究結(jié)果表明，仿生雙層抗沖擊結(jié)構(gòu)可在滿足簡(jiǎn)單化、輕量化前提下實(shí)現(xiàn)寬范圍的可控吸能。類(lèi)圓環(huán)結(jié)構(gòu)和斜圓柱結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的力-位移曲線分為三個(gè)階段：彈性階段、平臺(tái)階段和致密化階段，其中平臺(tái)階段表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸能能力。通過(guò)對(duì)類(lèi)圓環(huán)結(jié)構(gòu)和斜圓柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化研究，可知類(lèi)圓環(huán)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)比吸能（SEA）在13–72 J/g范圍內(nèi)的有效調(diào)控，斜圓柱結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)SEA在11–137 J/g范圍內(nèi)的有效調(diào)控�；�于抗沖擊裝置的實(shí)際工程問(wèn)題，進(jìn)行了需求分析、參數(shù)匹配以及吸能效果的驗(yàn)證，在充分考慮3D打印精度、結(jié)構(gòu)尺寸和空間限制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可滿足裝置吸能需求的結(jié)構(gòu)，證明了雙層抗沖擊結(jié)構(gòu)的實(shí)用性和有效性。

Fig. 3. Force-displacement curves of quasi-circular ring structure under FEA and experiment.

Fig. 4. Compression process of the quasi-circular ring structures under different strains and printed photos of the structural sample: (a) The compression process of the quasi-circular ring structures under different strains; (b) Printed photos of structural sample (yellow circle marking printing residues).

Fig. 5. Relationship between SEA and structural parameters for quasi-circular ring structures and oblique cylindrical structures: (a) Schematic diagram of structural parameters; (b-c) The relationship between SEA and structural parameters for quasi-circular ring structures; (d) The relationship between SEA and structural parameters for oblique cylindrical structure.

Fig. 6. Comparison of required volume and SEA between biomimetic double-layer impact-resistant structure and existing energy absorbing structure.

Fig.7. Engineering application: (a) Requirement analysis schematic diagram (the green and red shadows mark the range of force-displacement curves that meet the requirements for engineering applications (the green shadow marking the adjustable safety range, the red shadow marking the range where the structure needs must break), while the gray shadow marking the dangerous range that does not meeting the requirements of engineering applications); (b) The SEA of each structure in the double-layer impact-resistant structure (the pink shadow marking the SEA of the quasi-circular ring structure, the yellow shadow marking the SEA of the oblique cylindrical structure); (c) Printed photos of the double-layer impact-resistant structure (yellow circle marking printing residues); (d) Numerical simulation and experimental verification results of the scheme.

5 結(jié)論
研究表明，以啄木鳥(niǎo)頭部抗沖擊機(jī)制為靈感設(shè)計(jì)的新型仿生雙層抗沖擊結(jié)構(gòu)具有寬范圍可控吸能特性。所設(shè)計(jì)的類(lèi)圓環(huán)結(jié)構(gòu)和斜圓柱結(jié)構(gòu)可通過(guò)PBF 3D打印技術(shù)一體化無(wú)支撐制造，其中類(lèi)圓環(huán)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)13-72 J/g 的SEA調(diào)控范圍，斜圓柱結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)11-137 J/g的SEA調(diào)控范圍。同時(shí)雙層抗沖擊結(jié)構(gòu)所需體積僅為現(xiàn)有吸能結(jié)構(gòu)體積的1%至15%，而SEA則為現(xiàn)有吸能結(jié)構(gòu)SEA的1.5至13倍。

6 前景與應(yīng)用
本文創(chuàng)新性地提出可兼顧小尺寸設(shè)計(jì)和寬范圍吸能的仿生雙層抗沖擊結(jié)構(gòu)，同時(shí)該結(jié)構(gòu)可利用現(xiàn)有增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐制造。這種在吸能性能和尺寸方面的顯著優(yōu)勢(shì)，使得所提出的仿生吸能結(jié)構(gòu)在航空航天、汽車(chē)和土木工程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。