基于虾螯的仿生多胞薄壁管耐撞性分析及优化

为提高薄壁吸能结构的耐撞性,基于雀尾螳螂虾螯的微观结构,提出了一种新型含"人"字形仿生单元的多胞薄壁管结构.通过有限元模型仿真分析了不同碰撞角度θ(0°、10°、20°和30°)条件下,仿生单元高宽比η(单元高度A与宽度λ的比值)对薄壁管耐撞性的影响.结果表明:轴向(θ=0°)和小角度斜向(θ=10°)载荷碰撞条件下,仿生薄壁管均呈现渐进折叠变形,且θ=10°的薄壁管具有较大的比吸能Es和碰撞力效率Cf,以及较小的初始峰值载荷Fp.通过复杂比例法评价了薄壁管的耐撞性,η值分别为0.6～1.0和1.5～1.7时的薄壁管具有较好的耐撞性,仿生单元高宽比η最优值为1.5.采用多目标优化方法和多目标粒子群优化算法对不同碰撞角度工况的薄壁管结构参数进行了优化,最优结果是壁厚t为0.75～1.2 mm、单元宽度λ为5.5～9.5 mm、初始峰值载荷为59.8 kN、比吸能最大值为13.28 kJ/kg,该薄壁管仿生设计方法和优化方法为吸能元件的轻量化设计提供了新思路.