Investigation of Quasi-Static and Dynamic Mechanical Properties of Bio-Inspired Thin-Walled Structures under Axial Crushing

Abstract

在自然界中，当受到外部冲击载荷时，海螺可以通过其外壳吸收和分散冲击能量，从而防止结构损坏并表现出优异的机械性能。本研究利用结构仿生学原理，利用海螺壳的自相似特征和海螺室的形态，解决了传统薄壁结构中能量吸收效率不足的问题，从而设计了一种新型仿生薄壁结构。为了探究薄壁管的吸能性能，制造了标准管 （CL4R1-35） 和仿生管 （BL4S1-30、BA4-20S1-30 和 BL4S1.5-20），并通过准静态压缩试验和落锤冲击实验进行了评估。通过比较耐撞性指标和变形行为，结果表明螺旋结构显著提高了耐撞性，而弧形加强筋对整体性能有不利影响。在四种薄壁管中，仿生管 BL4S1-30 和 BA4-20S1-30 的吸能性能最好，SEA 比传统管提高了 6.4% 和 6.9%，平均碰撞载荷 （MCF） 有所增加;值得注意的是，BL4S1-30 管的峰值载荷显著降低，破碎力效率 （CFE） 提高了 24.61%，承载波动 （UCL） 减小，表明变形过程更加稳定。本研究结果为在承重应用中设计先进的能量吸收系统提供了新的指导。