牛角是皮肤的同源器官, 宏观上呈圆锥形管状填充结构, 主要由角质外壳、内部骨芯和连接两者的软组织层3部分组成, 如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 牛角宏观结构Fig.1 Macrostructure of horn

图2(a)为角质外壳微观结构, 由图2(a)可知:角质外壳是由无数个角质蛋白薄片重叠堆垛而成的天然复合材料; 每层薄片上存在粗糙随机分布的花纹形图案, 层与层之间有明显的分界线, 且每层薄片的排列方向大致相同。图2(b)为骨芯纵向微观结构, 由图2(b)可知:骨芯在纵向上呈现出大小不均、无规则排列的蜂窝状多孔结构; 骨芯是一种轻质多孔材料, 具有密度小、比表面积大等优点。

图2

Fig.2

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	图2 牛角微观结构Fig.2 Microstructure of horn

功能相似性:薄壁吸能管能够依靠自身的屈曲、断裂等破坏形式来吸收碰撞能量, 从而避免整体结构的破坏。同样, 牛可以通过牛角在碰撞过程中吸收能量来达到自我保护的目的。

结构相似性:锥形薄壁管可以通过内部填充多孔材料的方法来提高结构的耐撞性能。牛角主要由角质外壳、内部骨芯和连接两者的软组织层等3部分组成, 宏观上呈圆锥形管状填充结构。

载荷相似性:在汽车碰撞过程中, 为了保护整体结构, 薄壁吸能管要承受来自不同方向的撞击载荷。牛在争斗过程中, 为了自我保护, 牛角也要承受来自不同方向的外界载荷。

由于牛角与薄壁管在功能、结构和载荷方面均存在相似性, 因此, 选取牛角作为薄壁管仿生优化设计的生物原型。

牛角宏观上是一种圆锥形管状填充结构, 因此, 将薄壁管的宏观结构设计为圆锥形, 其长度为160 mm, 如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 仿生管几何模型Fig.3 Geometric model of bionic tube

根据牛角外壳的结构特征, 将无数个角质蛋白薄片重叠的多层结构简化为3层, 在仿生设计时, 将3个锥度为0.15的圆锥形薄壁管互相嵌套来模拟角质外壳的微观结构, 从而设计出具有角质外壳结构特征的仿生外壳。牛角骨芯在纵向上呈现出大小不均且无规则排列的多孔结构, 故采用内部具有蜂窝结构的圆管来模拟牛角骨芯的多孔结构, 从而设计出一种具有骨芯结构特征的仿生芯体。为了提高仿生管的耐撞性能和稳定性, 通过约束梁将仿生外壳和仿生芯体紧密连接, 约束梁之间的夹角为45° 。仿生管的模型参数如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 仿生管模型参数 Table 1 Model parameters of bionic tube 因数 最大外径/mm 壁厚/mm 外层锥管 100 0.5 中层锥管 90 0.5 内层锥管 80 0.5 约束梁 - 0.5 蜂窝圆管 40 1

表1 仿生管模型参数 Table 1 Model parameters of bionic tube

在仿真计算时, 选用6A02铝合金作为仿生管的材料, 其弹性模量为70 GPa、屈服强度为0.25 GPa、泊松比为0.31、密度为2.7× 10^-6 kg· mm^-3、伸长率为19%。在刚性墙上附加1200 kg的刚体质量块, 刚性墙与附加刚体质量块以10 m/s的速度撞击仿生管。在轴向冲击时, 对仿生管大端节点施加6个自由度约束来固定仿生管, 定义碰撞位移为115 mm, 如图4(a)所示。在横向冲击时, 将仿生管的大小两端均施加6个自由度约束, 定义碰撞位移为50 mm, 如图4(b)所示。

图4

Fig.4

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	图4 不同方向碰撞模式图Fig.4 Collision mode in different direction

由于普通圆锥管为传统的吸能元件, 且锥形多胞管较传统吸能管有着较高的耐撞性能, 因此, 为了研究仿生管的耐撞性能, 通过显示有限元法分别对等长度的普通圆锥管、四晶胞锥管和仿生管的耐撞性能进行对比分析, 普通圆锥管、四晶胞锥管的几何参数如表2所示。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 普通圆锥管和四晶胞锥管模型参数 Table 2 Model parameters of conical tube and four cell conical tube 名称 长度/mm 锥度 大端直径/mm 壁厚/mm 普通圆锥管 160 0.15 100 1 四晶胞锥管 160 0.15 100 1

表2 普通圆锥管和四晶胞锥管模型参数 Table 2 Model parameters of conical tube and four cell conical tube

图5为在相同碰撞条件下质量分别为0.118、0.194、0.450 kg的普通圆锥管, 四晶胞锥管和仿生管在轴向碰撞时的比吸能-时间曲线。由图5可知, 在有效变形范围内, 仿生管的比吸能均高于四晶胞锥管和普通圆锥管, 其比吸能为46.2 kJ/kg, 分别比四晶胞锥管和普通圆锥管提高了1.3和1.8倍。因此, 仿生管较普通圆锥管, 四晶胞锥管具有更高的轴向耐撞性能。

图5

Fig.5

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	图5 不同结构薄壁管比吸能-时间曲线Fig.5 SEA-time curves for different structure tubes

图6为轴向碰撞变形模式, 由图6可知:仿生管在轴向碰撞时材料的屈曲变形相对稳定, 褶皱数量较多, 呈现出典型的渐进叠缩变形模式, 这种模式有利于提高结构的吸能特性, 同时仿生芯体, 仿生外壳和约束梁褶皱的相互侵入也吸收了大部分能量。因此, 在相同轴向碰撞条件下, 仿生管具有较高的比吸能。

图6

Fig.6

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	图6 轴向碰撞变形模式Fig.6 Collision deformation mode in longitudinal

图7为普通圆锥管、四晶胞锥管和仿生管在轴向碰撞时的载荷-位移曲线, 由图7可知, 仿生管的初始峰值载荷为236 kN, 分别比四晶胞锥管和普通锥管提高了1.5和3.5倍, 仿生管的平均载荷为130 kN, 分别比四晶胞锥管和普通锥管提高了2.8和6.6倍; 单位质量仿生管的初始峰值载荷为525 kN, 分别比四晶胞锥管和普通圆锥管提高了41 kN和72 kN。因此, 在轴向碰撞时仿生管具有良好的耐撞性能。

图7

Fig.7

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	图7 不同结构薄壁管载荷-位移曲线Fig.7 Force-displacement curves of different structure tubes

在碰撞过程中, 仿生管在压溃截面上有较多的薄壁结构发生塑性变形, 从而提高了仿生管抵抗冲击变形的能力, 使得碰撞力得到明显增加; 另外, 芯体和外壳褶皱的互相侵入也需要较高的冲击载荷。因此, 仿生管在轴向碰撞过程中具有较高的初始峰值载荷和平均压溃载荷。

图8为仿生薄壁管在轴向冲击时的变形过程, 由图8可知:在碰撞过程中, 仿生管沿轴向由顶端至底端依次发生屈曲变形, 随着碰撞位移的增加, 仿生芯体和仿生外壳的褶皱数量逐渐增多且互相侵入, 结构的具体表现形式为从始冲击端向末冲击端逐层压溃, 呈现出一种典型的渐进叠缩稳态变形模式。这是由于仿生管在受到轴向动态冲击时, 由于蜂窝填充结构和约束梁的共同作用使仿生管所受到的冲击载荷均匀分布在仿生管的横截面上, 从而使仿生管的变形相对稳定。因此, 仿生管呈现出渐进叠缩稳态变形模式。

图8

Fig.8

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	图8 仿生管变形过程Fig.8 Deformation process of bionic tube

为了研究芯体壁厚对仿生管耐撞性能的影响, 研究采用非线性有限元法分别对芯体壁厚为1.0、0.7和0.4 mm的仿生管耐撞性能进行仿真对比分析。图9为不同芯体壁厚仿生管的比吸能-时间曲线, 由图9可知:不同芯体壁厚的仿生管的比吸能是不同的, 芯体壁厚越大, 吸收的能量越多, 其比吸能越高。芯体壁厚为1 mmR 仿生管的比吸能为46.2 kJ/kg, 分别比芯体壁厚为0.7 mm和0.4 mm仿生管的比吸能提高了9%和29%。另外, 在碰撞位移达到115 mm时, 芯体壁厚为1 mm的仿生管碰撞时间相对较长。由此可见:随着芯体壁厚的增加, 仿生管抵抗冲击变形的能力也随之提高。

图9

Fig.9

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	图9 不同芯体壁厚仿生管比吸能-时间曲线Fig.9 SEA-time curves for bionic tube with different core thickness

图10为不同芯体壁厚仿生管的初始峰值载荷和平均载荷, 由图10可知:在轴向碰撞时, 芯体壁厚为1 mm的仿生管具有较高的初始峰值载荷和平均载荷, 其初始峰值载荷为236 kN, 分别比芯体壁厚为0.7 mm和0.4 mm的仿生管提高了19%和57%。

图10

Fig.10

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	图10 不同芯体壁厚仿生管的载荷Fig.10 Force for bionic tubes with different core thickness

芯体壁厚为1 mm的仿生管的平均载荷为130 kN, 分别比芯体壁厚为0.7 mm和0.4 mm的仿生管提高了31%和91%。因此, 仿生管的耐撞性能随着芯体壁厚的增加而提高。分析认为:增加芯体壁厚可有效地提高仿生管在轴向的强度和刚度, 从而提高了仿生管的初始峰值载荷和平均载荷。

为了研究仿生管横向碰撞的耐撞性能, 对不同结构的薄壁管在横向碰撞时的耐撞性能进行了仿真对比分析, 图11为普通圆锥管、四晶胞锥管和仿生管在横向碰撞时的比吸能-位移曲线, 由图11可知:在有效压缩位移为50 mm时, 仿生管的比吸能最大, 其值为10.4 kJ/kg, 分别比四晶胞锥管和普通圆锥管比吸能提高了66%和114%。因此, 在横向碰撞时, 仿生管的耐撞性能均高于四晶胞锥管和普通圆锥管。压缩位移在30 mm以内时, 仿生管的比吸能较低, 随着碰撞位移的增加, 仿生管的比吸能迅速提高。

图11

Fig.11

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	图11 横向碰撞比吸能-位移曲线Fig.11 SEA-displacement curves for transverse collision

由图12可知:这是由于仿生管为圆锥形管状填充结构, 在初始碰撞时只有仿生管大端发生变形, 材料的利用率较低, 从而吸收较少的冲击能量, 而且仿生管的质量相对较高, 因此其比吸能相对较小; 随着碰撞位移的增加, 仿生芯体与约束梁均发生变形, 且仿生芯体与仿生外壳互相侵入, 从而吸收大部分能量, 因此在碰撞位移为30 mm以后, 仿生管的比吸能迅速提高。

图12

Fig.12

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	图12 横向碰撞变形模式Fig.12 Collision deformation mode in transverse