基于仿生的轻质结构耐撞性分析及应用

论文摘要

有害的碰撞和冲击极大的威胁着人们的生命财产安全。结构的耐撞性分析应运而生,以可控的方式稳定的吸收能量的结构为能量吸收装置。金属薄壁结构是一种具有高比吸能的能量吸收装置,它在碰撞过程中,通过不可逆的塑性变形耗散足够的动能。结构的材料和构型都对耐撞性产生很大的影响,合理的优化设计可以极大的提高结构的耐撞性。大自然为我们提供了丰富的参考,仿生即为一种行之有效的方法。甲壳虫作为自然界高度进化的生物体,有着精巧复杂的构造。它坚硬的外壳既可以缓冲外界冲击,吸收能量,保护体内器官免受外界的伤害,同时又不影响飞行。这样优良的材料非常适合应用在结构防撞性和能量吸收装置中。本文参照甲壳虫外壳的微结构,设计出几个模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件分析了其耐撞性和抗冲击能力,并探讨结构尺寸变化对吸能的影响。通过分析发现,设计的模型与圆管结构相比,吸能量更多,过程更加稳定,抗冲击性能更好。论文的最后讨论了设计模型的应用。头盔是一种保护人体头部的能量吸收装置,为了提高其缓冲吸能能力,可参考甲壳虫外壳的微结构。论文将设计的模型作为夹心层与头盔的外壳进行组合,形成夹芯头盔。参考头盔的实验测定标准,利用ANSYS/LS-DYNA软件分析了夹芯头盔和普通头盔的抗冲击性能,发现夹芯头盔不仅更加轻质,而且对人体的保护性能更好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 仿生材料
• 1.1.1 仿生学
• 1.1.2 仿生材料的研究内容
• 1.1.3 仿生材料的研究现状
• 1.1.4 仿生材料的研究方法
• 1.1.5 仿生材料学发展
• 1.2 结构耐撞性和能量吸收
• 1.3 金属圆管的研究现状
• 1.4 LS-DYNA的介绍
• 1.4.1 显式时间积分
• 1.4.2 LS-DYNA的接触-碰撞算法
• 1.5 本文研究内容
• 2 甲壳虫外壳优质构型的模拟
• 2.1 甲壳虫外壳的微结构
• 2.2 仿甲壳虫外壳引出相似结构
• 2.2.1 有限元模型的建立
• 2.2.2 不同的支撑杆数量
• 2.2.3 不同的支撑杆横截面积
• 2.2.4 不同数量的层板
• 2.2.5 不同厚度的层板
• 2.2.6 各向同性与各向异性的对比
• 2.3 本章小结
• 3 结构的改进
• 3.1 圆管结构与甲壳虫引出结构的结合
• 3.1.1 有限元模型的建立
• 3.1.2 计算结果与分析
• 3.2 支撑壳模型
• 3.2.1 有限元模型的建立
• 3.2.2 计算结果与分析
• 3.3 圆管形状的改变
• 3.3.1 甲壳虫芯柱结构的介绍
• 3.3.2 有限元模型的建立
• 3.3.3 结果分析
• 3.3.4 增强模型的建立及准静态分析
• 3.3.5 增强模型的冲击分析
• 3.4 本章小结
• 4 结构的实际应用
• 4.1 头盔的结构及防护性能
• 4.2 受甲壳虫外壳微结构启发的头盔
• 4.2.1 有限元模型
• 4.2.2 计算结果与讨论
• 4.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢