仿生蜘蛛网点阵结构设计及其吸能效果研究

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点阵结构是由点阵单胞按照一定规律排列组合而成的一种多孔结构,由于其具有轻质高强和良好的吸能效果而广泛应用于轻量化吸能结构。针对自然界中蜘蛛网拦截飞行昆虫并有效吸收冲击能量的现象,结合在点阵结构设计中常用的仿生学设计法设计具有蜘蛛网吸能特性的不同仿生蜘蛛网点阵结构,通过理论仿真和准静态压缩实验研究三种仿生蜘蛛网点阵结构的结构参数对吸能效果的影响规律并优化三种仿生蜘蛛网点阵吸能效果。首先,基于圆网蜘蛛的结网特点,从影响蜘蛛网结构的主要因素入手,考虑以蜘蛛网径线长度、径线截面直径、螺旋线圈数、螺旋线间距和螺旋线截面直径为结构参数,建立蜘蛛网结构的数学仿真模型。利用有限元法模拟昆虫冲击蜘蛛网的动态响应过程并基于响应曲面法得到蜘蛛网结构的结构参数对蜘蛛网总吸能量、峰值应力和比吸能量的影响规律。其次,基于蜘蛛网结构的结构参数对蜘蛛网总吸能量、峰值应力和比吸能量的影响规律,利用仿生学设计方法设计三种具有蜘蛛网吸能特性的仿生蜘蛛网点阵结构。基于响应曲面法探究三种仿生蜘蛛网点阵结构的结构参数对其吸能效果的影响规律并以吸能效果为优化目标对三种仿生蜘蛛网点阵结构进行优化设计。通过仿真试验对比在低速冲击和准静态载荷下三种仿生蜘蛛网点阵的吸能效果的差异。最后,利用3D打印技术制备三种仿生蜘蛛网点阵夹芯板结构并进行准静态压缩实验,分析三种仿生蜘蛛网点阵结构特征对其变形形式的影响规律,验证三种仿生蜘蛛网点阵结构在准静态压缩下的吸能效果。
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