西交大王玲团队：高吸能仿生3D打印抗冲击结构

来源：国际仿生工程想学会

1 研究背景及目的
从航空航天到运动装备，社会对吸能结构的需求逐渐增加。吸能结构需兼具轻量化、低初始峰值力和优异的吸能性能，然而现有结构如薄壁、晶格等在高速冲击下易发生不稳定变形或出现应力集中。相较之下，自然界中啄木鸟展现出显著的吸能优势，但是现有仿生结构多需较大体积或多材料制造，限制了其在有限空间内的应用。因此，本研究从轻量化、易制造角度出发，通过啄木鸟头部仿生设计，提出一种可实现宽范围可控吸能的结构，为更好服务于工程应用奠定基础。

2 论文亮点
(1) 设计并通过PBF 3D打印技术制造了一种结构简单且吸能可控的仿生双层抗冲击结构。

(2) 采用有限元分析方法，系统研究了结构关键参数对吸能性能的影响。

(3) 通过调整仿生双层抗冲击结构的结构参数，可实现宽范围的吸能性能调控。

(4) 设计的双层抗冲击结构比吸能为现有吸能结构比吸能的1.5至13倍。

Fig. 1. Impact resistance principle of the woodpecker's head: (a) Schematic diagram of the hyoid bone; (b) Microstructure of the hyoid bone (K represents the keratin sheath and PG represents the central bone); (c) Microstructure of the beak.

3 试验方法
本研究从理论分析、数值模拟和实验验证三方面对仿生结构的吸能特性进行了分析。首先从理论分析和数值模拟入手，明确了结构参数与受力之间关系，同时明晰了结构可实现的吸能范围。然后采用自主研发的SLM 350打印设备对双层抗冲击结构和其中的类圆环结构进行制造，使用扫描电子显微镜对结构的打印质量进行评估，观察结构是否有明显缺陷。最后使用电液伺服万能测试机对打印的吸能结构样品进行压缩测试，观察结构的压缩响应。

Fig. 2. Schematic diagram of the biomimetic double-layer impact-resistant structure.

4 结果
研究结果表明，仿生双层抗冲击结构可在满足简单化、轻量化前提下实现宽范围的可控吸能。类圆环结构和斜圆柱结构在冲击载荷下的力-位移曲线分为三个阶段：弹性阶段、平台阶段和致密化阶段，其中平台阶段表现出较强的吸能能力。通过对类圆环结构和斜圆柱结构进行参数化研究，可知类圆环结构可实现比吸能（SEA）在13–72 J/g范围内的有效调控，斜圆柱结构可实现SEA在11–137 J/g范围内的有效调控。基于抗冲击装置的实际工程问题，进行了需求分析、参数匹配以及吸能效果的验证，在充分考虑3D打印精度、结构尺寸和空间限制的基础上，设计了可满足装置吸能需求的结构，证明了双层抗冲击结构的实用性和有效性。

Fig. 3. Force-displacement curves of quasi-circular ring structure under FEA and experiment.

Fig. 4. Compression process of the quasi-circular ring structures under different strains and printed photos of the structural sample: (a) The compression process of the quasi-circular ring structures under different strains; (b) Printed photos of structural sample (yellow circle marking printing residues).

Fig. 5. Relationship between SEA and structural parameters for quasi-circular ring structures and oblique cylindrical structures: (a) Schematic diagram of structural parameters; (b-c) The relationship between SEA and structural parameters for quasi-circular ring structures; (d) The relationship between SEA and structural parameters for oblique cylindrical structure.

Fig. 6. Comparison of required volume and SEA between biomimetic double-layer impact-resistant structure and existing energy absorbing structure.

Fig.7. Engineering application: (a) Requirement analysis schematic diagram (the green and red shadows mark the range of force-displacement curves that meet the requirements for engineering applications (the green shadow marking the adjustable safety range, the red shadow marking the range where the structure needs must break), while the gray shadow marking the dangerous range that does not meeting the requirements of engineering applications); (b) The SEA of each structure in the double-layer impact-resistant structure (the pink shadow marking the SEA of the quasi-circular ring structure, the yellow shadow marking the SEA of the oblique cylindrical structure); (c) Printed photos of the double-layer impact-resistant structure (yellow circle marking printing residues); (d) Numerical simulation and experimental verification results of the scheme.

5 结论
研究表明，以啄木鸟头部抗冲击机制为灵感设计的新型仿生双层抗冲击结构具有宽范围可控吸能特性。所设计的类圆环结构和斜圆柱结构可通过PBF 3D打印技术一体化无支撑制造，其中类圆环结构可实现13-72 J/g 的SEA调控范围，斜圆柱结构可实现11-137 J/g的SEA调控范围。同时双层抗冲击结构所需体积仅为现有吸能结构体积的1%至15%，而SEA则为现有吸能结构SEA的1.5至13倍。

6 前景与应用
本文创新性地提出可兼顾小尺寸设计和宽范围吸能的仿生双层抗冲击结构，同时该结构可利用现有增材制造技术实现无支撑制造。这种在吸能性能和尺寸方面的显著优势，使得所提出的仿生吸能结构在航空航天、汽车和土木工程等领域具有广阔的应用前景。