基于牛角结构的缓冲吸能保险杠仿生设计及仿真分析

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1、摘要轻量化设计是汽车工业的发展趋势之一，而安全性能则是轻量化必须考虑的前提和保障。保险杠是汽车碰撞的主要吸能元件之一，在约束质量和尺寸的前提下，优化设计保险杠的耐撞性能，对轻量化过程中提高汽车的被动安全性能有着重要意义。研究选取自然界中具有良好力学性能的轻质管状填充材料牛角为生物原型，采用万能试验机分别对角质外壳和骨芯进行了静态力学试验，通过摆锤试验机研究了角质外壳和骨芯的横向抗冲击性能。结果表明，角质外壳是一种功能梯度材料，其最大抗拉强度沿长度方向由顶部至底部呈现出依次减小梯度分布。角质外壳和骨芯的力学性能存在各项异性，在纵向的抗压性能均高于横向的抗压性能，水分可以降低角质外壳和骨芯的力学

2、性能。在横向冲击时，角质外壳的最2大抗冲击强度为4.9J/cm，是骨芯最大抗冲击强度的7倍。采用扫描电子显微镜对牛角的微观结构进行了观测，角质外壳是由角质蛋白薄片重叠堆垛而成，骨芯是在纵向上呈现出大小不均无规则排列的多孔结构。根据牛角的宏微观结构，基于结构仿生学理论，设计出仿牛角结构的仿生管。在轴向碰撞时，仿生管呈现出从始冲击端向末冲击端逐层压溃的渐进叠缩稳态变形模式，其比吸能为37.6kJ/kg，分别比四晶胞管和普通圆管提高了90%和144%。在横向碰撞时，仿生管的比吸能为13.7kJ/kg，分别比四晶胞管和普通圆管比吸能提高了86%和124%。运用逆向工程技术提取出牛角的弯曲度曲线，设计

3、出一种具有牛角弧度特征的仿生保险杠横梁。在轴向碰撞时，仿生横梁的比吸能为6.7kJ/kg，较传统横梁的比吸能提高了1.1倍。研究将仿生吸能管和优化后的仿生横梁应用到缓冲吸能保险杠的设计中，设计出一种具有牛角结构特征的仿生吸能保险杠，仿生保险杠的比吸能为16.2kJ/kg，较传统保险杠的比吸能提高了2.6倍。基于结构仿生学设计方法，将牛角结构特征应用到保险杠结构设计中，可以在轻量化前提下，有效提高保险杠的耐撞性能，为汽车被动安全研究提供新的思路和理论依据。关键词：牛角，保险杠，仿生管，耐撞性，比吸能IAbstractLightweightdesignisthedevelopmenttrendo

4、ftheautomotiveindustry,andsafetyperformanceisthepremiseandguaranteeforthelightweightdesign,whichmustbeconsidered.Thebumperisthemainenergyabsorptioncomponentofvehiclecollision.Optimizationdesignofbumperenergy-absorbingcharacteristicisveryimportanttoimprovethepassivesafetyperformanceinthepremiseoflig

5、htweight.Throughsimilarityanalysis,thestudyregardsthehorns,whichhasgoodmechanicalpropertiesinthenature,asthebiologicalprototype.Aseriesofmechanicaltestswereperformedbythetension-compressiontestmachineandpendulumimpacttestmachine.Resultsshowedthatcattlehornisagradedbiologicalmaterialwithoutstandingm

6、echanicalcharacteristic.Theultimatetensilestrengthofthekeratinshelldiminishedgraduallyfromdistaltomiddletoproximalparts.Theultimatecompressivestrengthofkeratinshellandbonecoreinthelongitudinaldirectionwashigherthanthatinthetransverse.Themoisturecouldcutdownsignificantlythemechanicalcharacteristicso

7、fkeratinshellandbonecore.The2shocktoughnessofthekeratinshellwas4.9J/cm,whichwas7timesaslargeasthatofthebonecore.Themicrostructuresofthekeratinshellandbonecorewereexaminedbyscanningelectronmicroscopy.Results