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摘要

基于豆雁羽轴薄壁结构的仿生设计与吸能特性研究

随着薄壁结构轻量化和吸能性能要求的提高，在保证薄壁结构强度和刚度的

条件下，提高其能量吸收效率十分重要。经过数百万年的自然选择，自然界中的

生物已经进化出具有出色机械性能的结构。其中，豆雁的飞行性能卓越，善于长

途飞行，其羽轴具有轻质高强等优势，这为设计轻质薄壁吸能结构提供了参考和

理论依据。

本论文以豆雁羽轴（Anserfabalis）为研究对象，采用工程仿生学原理，通过

扫描电镜和超景深显微系统对豆雁羽轴的截面进行观测，得到了羽轴的宏观及微

观结构；通过准静态轴向压缩试验对豆雁不同部位的羽轴进行抗压性能研究，发

现初级飞羽的力学性能相对更优。进而对初级飞羽羽轴纤维方向的N1~N8号不

同区域试样的抗压性能进行研究。通过小型电子万能试验机对带有髓质和去除髄

质的羽轴试样（只含有皮质的羽轴）分别进行压缩试验，验证了在皮质和髄质的

协同作用下，其抗压性能最佳。通过对初级飞羽羽轴的纤维取向的连续三段试样

进行三点弯曲试验，得到了不同区域试样的吸能性和抗弯性。综合分析认为，初

级飞羽羽轴的N3号区域力学性能更优。通过Micro-CT扫描结果对最优区域（N3）

的微观结构进行三维重构，并得到“锯齿形”和“半圆形”两种结构特征参数。

建立有限元模型分析其吸能结构，发现这两处结构对羽轴的抗压能力和吸能效率

均起到关键作用。在上述研究基础上提出仿生薄壁结构的5种设计方案，采用

Hypermesh与Ls-dyna相结合的方式对其进行压缩仿真，筛选出外轮廓近似方形、

内轮廓4边均为锯齿形的泡沫铝填充薄壁结构为最优的仿生设计方案。通过机加

工制备了6种管模型进行轴向准静态压缩试验，试验结果证实了该设计的可行

性。最终获得了一种新型仿生薄壁结构。

综上所述，本论文将生物学和结构设计学相结合，运用多种测试技术，根据

豆雁羽轴的轻质高强特性研究其结构的力学特性，设计出一种轻质吸能的新型仿

生薄壁结构，并通过仿真和试验的方法证明了其可行性，在保证轻量化的前提下，

改善了传统吸能结构的吸能性。本论文可为进一步开展仿生薄壁结构的设计与研

究提供技术参考。

关键词：

豆雁羽轴，轻量化，薄壁结构，能量吸收

ResearchonBionicDesignandEnergyAbsorptionCharacteristicsBased

ontheThin-walledStructureofBeanGoose(Anserfabalis)FeatherShaft.

Withtheimprovementoflightweightandenergyabsorptionperformance

requirements,itisimportanttoimprovetheenergyabsorptionefficiencyofthin-walled

structureswhileensuringtheirstrengthandrigidity.Aftermillionsofyearsofnatural

selection,organismsinnaturehaveevolvedbiologicalstructureswithexcellent

mechanicalproperties.Amongthem,thebeangoosehasexcellentflightperformance

andisgoodatlong-distanceflight.Itsfeathershafthastheadvantagesoflightweight

andhighstrength,whichprovidesareferenceandtheoreticalbasisforthedesignof

lightandthin-walledenergy-absorbingstructures.