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摘要

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基于豪猪刺肋骨增强结构的仿生薄壁吸能管设计研究

提高薄壁结构的能量吸收性能一直是被动防护系统工程相关领域的重要课

题。到目前为止，传统的圆管、方管和多节管是汽车、轨道交通、航空航天工

业中最常用的能量吸收结构，因为它们具有结构简单、易于加工、价格低等诸

多优点。然而，随着社会的不断发展，这些传统结构无法满足人们对更高吸能

特性的要求。因此，研究人员期望寻求更完美的结构来改善此类系统的机械性

能。经过数十亿年的进化，如今幸存下来的生物表现出许多强大的生存特征，

许多动物和植物因其完美的结构和功能而让研究人员着迷，向自然学习在生物

启发结构设计方面发挥着重要作用，因此，在工程中应用仿生或仿生方法有助

于提高机械性能。经过自然的选择，豪猪进化出了覆盖整个背部和体侧的坚硬

棘刺，其可以轻松刺穿敌人的外皮以达到保护自己的目的。

本文选取了成年豪猪刺作为研究对象，从沟壑状表面形态、截面变化形式、

宏微观结构、材料元素组成、多种力学测试等影响豪猪刺性能的关键因素进行

入手，经过系统研究分析后，以豪猪刺为仿生原型设计了仿生薄壁管，本文的

主要研究内容如下：

首先综合考虑多方面因素选取了豪猪刺作为生物原型。借助超景深显微镜

对豪猪刺整体结构形态以及不同位置的横截面变化形式进行了观测与研究，借

助扫描电子显微镜对豪猪刺更微观结构进行了表征，使用X射线能谱仪、傅里

叶变换红外光谱仪等对豪猪刺元素组成与分布进行了系统分析，并且通过电液

万能试验机对豪猪刺进行了轴向与横向压缩能力、拉伸能力、弯曲能力的机械

力学测试研究。此外，借助纳米压痕仪，对豪猪刺整体的纳米力学性能差异进

行了测试表征并进行了规律总结。这些分析观察将为后续仿生薄壁管的结构设

计奠定基础。

基于上述材料结构组成分析及相关力学性能测试，对仿生豪猪刺薄壁管进

行了设计与模拟仿真。首先对网格尺寸大小进行了确定，并且将模拟结果与实

I

吉林大学硕士学位论文

验进行对比验证了有限元模型的有效性，提取豪猪刺相关结构数据，建立了仿

生结构模型，通过改变模型的不同参数，包括肋数、壁厚、肋厚、压缩角度等，

利用有限元模拟技术研究了各种参数如何影响仿生管的变形方式和吸收效率，

以及其承载性。经过深入的比较和分析，找到了最佳的仿生结构，与普通圆管

相比，比吸能提高了44.69%，压缩力效率提高了28.06%。

最后采用3D打印制备了3种不同材料的仿生薄壁管和具有肋骨增强结构的

仿生蜂窝管，通过轴向压缩试验对打印的样件进行相关测试，试验结果证实了

仿生设计具有可行性。

综上所述，本文从生物结构出发，通过多方位的观察与测试分析，结合仿

生学的设计理念，设计了仿生薄壁吸能结构，并通过有限元模拟对设计进行优

化，最后通过试验验证了仿生设计的有效性。本论文可为进一步开展仿生薄壁

结构的设计与研究提供新的思路。

关键词：

仿生设计，豪猪刺，薄壁管，肋骨，吸能

II

目录

目录

摘要I

AbstractIII

第1章绪论1

1.1选题背景与意义1

1.2薄壁结构研究现状2

1.3仿生吸能结构研究进展6

1.4本文的研究目的及研究内容18

1.4.1研究目的18

1.4.2研究内容18

第2章豪猪刺结构表征及化学成分分析21

2.1引言21

2.2豪猪刺预处理21

2.3豪猪刺宏观量化表征22

2.4豪猪刺截面微观结构表征24