3D打印莲藕-蜂窝仿生结构静态力学研究

摘要本文通过利用ABAQUS数值模拟、3D打印技术，结合莲藕与蜂窝结构各自的结构优势，有利于研究它们在轴向准静态压缩破碎条件下的力学行为和能量吸收特性，更好的推动汽车领域对3D打印技术、优化吸能技术的应用与发展。仿生复合金属多孔管在轴向弯曲方面的强度、刚度、能量吸收、压缩力效率和比吸能特性均有显著提高。其轴向方向是能量吸收和避免碰撞的主要方向，横向方向具有足够的承载能力。这些仿生多细胞管具有作为轻质、刚性、高强度、抗冲击和能量吸收的独立能量吸收器的潜力。因此，研究3D打印莲藕蜂窝仿生结构的静态力学行为对于提高结构设计的效率、降低制造成本和推动可持续发展具有重要的意义。关键词：3D打印、蜂窝结构、莲藕结构、准静态压缩、力学性能AbstractByusingABAQUSnumericalsimulationand3Dprintingtechnology,combinedwiththestructuraladvantagesoflotusrootandhoneycombstructure,itisconducivetothestudyoftheirmechanicalbehaviorandenergyabsorptioncharacteristicsundertheaxialquasi-staticcompressionandcrushingconditions,andbetterpromotetheapplicationanddevelopmentof3Dprintingtechnologyandoptimizedenergyabsorptiontechnologyintheautomotivefield.Thestructuralstrength,rigidity,energyabsorption,crushingforceefficiencyandspecificenergyabsorptionofaxialbendingaresignificantlyimproved.Itsaxialdirectionisthemaindirectionforenergyabsorptionandcollisionavoidance,andthelateraldirectionhassufficientcarryingcapacity.Thesebiomimeticmulticellulartubeshavethepotentialtoserveasindependentenergyabsorbersforlightweight,rigidity,highstrength,shockresistance,andenergyabsorption.Therefore,itisofgreatsignificancetostudythestaticmechanicalbehaviorof3Dprintedlotusroothoneycombbionicstructuretoimprovetheefficiencyofstructuredesign,reducethemanufacturingcostandpromotethesustainabledevelopment.Keywords:3Dprinting,honeycombstructure,lotusrootstructure,quasi-staticcompression,mechanicalproperties目录TOC\o"1-3"\h\u235271绪论 791981.1课题研究背景及意义 731501.23D打印技术及其国内外研究现状 9317451.2.13D打印的历史 9132831.2.23D打印技术的分类 9130531.2.33D打印的应用 11200661.2.43D打印技术国际与国内现状 12192701.2.53D打印蜂窝结构的研究现状 13235051.2.63D打印莲藕结构的研究现状 14305181.3Abaqus软件的应用现状 15219911.4课题研究内容 1680362多孔薄壁金属管的设计制造 16270542.1引言 16205372.2多孔薄壁金属管的结构设计 17244022.3多孔薄壁金属管的材料选择 19289432.4多孔薄壁金属管的制造 19105453莲藕-蜂窝仿生结构的数值模拟 19310893.1准静态试验 1973403.2仿真模型建立 20156723.2.13D莲藕-蜂窝仿生结构的建模 20108303.2.23D莲藕-蜂窝仿生结构的参数设置 22283023.33D莲藕-蜂窝仿生结构的变形模式分析 24225843.3.1轴向准静态载荷作用下的变形模式 24115614仿生莲藕-蜂窝结构的吸能性分析 2663984.1轴向准静态载荷作用下的载荷-位移特性 26297504.2莲藕-蜂窝结构的能量吸收分析 28108384.3莲藕-蜂窝结构的能量吸收效率分析 2912325结论与展望 30169625.1总结 3063915.2创新点 31180875.3应用与展望 31192915.3.1研究的不足之处： 31272375.3.2后续研究的方向： 3217025参考文献 339330致谢 361绪论1.1课题研究背景及意义随着科学技术的不断前进与发展，人们对于材料、结构和性能的要求也逐渐提高，传统的设计方法已经无法满足复杂环境下的需求，而仿生结构的研究却可以提供新的思路和解决方案，满足人类对性能优化的追求，因此普遍在各个领域得到了应用和研究。人类尝试从自然界的动物中获取灵感，如鸟类的羽毛、鱼类的鳞片、昆虫的翅膀等。这些结构在稳定性、轻量化、强度、柔韧性、防护性等方面展现出卓越的性能，激发了人们对仿生结构的研究兴趣。生物具有的功能比任何人工制造的机械都优越得多，而仿生学是一个专门的科学技术领域，它从生物有机体的独特能力中汲取灵感。该学科的重点是利用生物系统的结构和功能原理来创新和开发先进的机械和新技术。仿生学的概念于1960年由美国的JESteele首先提出。它涉及对生物体中发现的各种自然现象和能力的详细检查和模拟，包括其结构完整性、操作原理、行为、器官功能，以及其中发生的生化过程、能量动态和信息交换REF_Ref15649\r\h[1]。科学技术和工程技术从中利用这些原理，创造或提出新的设计思想、工作原理和系统架构。因此，仿生的目的就是分析生物过程和结构以及将对它们的分析用于未来的设计REF_Ref15966\r\h[2]。莲藕与蜂窝结构都是自然界中常见的结构。蜂窝结构由有效排列的六角棱柱形单元组成，这种结构节省了材料使用，同时提供了大容量和高耐用性。工程师从这种自然建筑中汲取灵感，采用多种材料开发了蜂窝夹芯板。这些板拥有卓越的机械强度和轻质特性，以及出色的隔热和隔音能力。因此，该结构板被认为是用于建造和制造航空航天器（包括航天器、航天飞机和卫星）的理想选择。莲藕是一种生长在水中的植物，其茎部内部呈现出一种特殊的蜂窝状结构。这种结构具有轻量化、高强度和优异的力学性能，能够在水中承受外部载荷和环境变化。通过研究莲藕结构，借鉴其设计原理，实现工程结构的优化和轻量化。然而，制备新的结构还需要结合更先进的技术方法。3D打印技术的发展就为仿生结构的制备提供了一种全新的方式。3D打印作为极具发展前景的智能制造技术，越发得到发达国家的高度重视。2022年，3D打印产业在引领技术创新的同时，从新冠疫情中展现复苏态势，实现了高速增长。当前3D打印技术已被广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械、电子和通信等领域，凭借高精度、高效率、低成本等优点，在工业制造中的地位不断提升。据麦肯锡预测，到2025年，全球3D打印有望产生2000亿美元到5000亿美元的经济效益。作为战略性新兴产业，3D打印受到世界上大部分国家的高度重视，投入了大量的技术人员与资金。在汽车行业领域，3D打印技术并非全新概念。该技术以其较低的成本、高效的生产能力及环境友好性等优势，已经被部分厂商应用于汽车零部件的制造过程中。然而，受计算机科技、材料科学及网络信息技术等多重因素的制约，3D打印技术在过去数十年间主要在汽车制造的车间内局限使用，尚未在更广阔的领域实现突破性的发展或产生深远的影响。目前，随着诸多前沿技术领域的重大进展，3D打印技术开始展现其庞大的潜力，为人类文明的进一步发展做出了显著贡献REF_Ref16309\r\h[3]。在组成汽车的所有零部件中，它们各自发挥着不同的功能。有些需要承载一定的载荷，达到强度、刚度的要求，有些要满足吸能特性，进而可以维持结构的稳定性。在耐撞性研究中，设计能量吸收结构与选择能量吸收材料应考虑到各自独特的工作环境。尽管如此，无论在何种工作环境下，耐撞性设计的根本目标均在于通过可控制的方式或预设的速率，有效地耗散撞击过程中产生的动能。[4]根据具体要求，设计吸能结构和选择合适材料的过程必须遵循以下几个关键原则：（1）吸能结构的设计应能够执行不可逆的能量转换。本质上，缓冲机构和材料耗散的能量应该是不可恢复的，有效地将冲击产生的动能转化为主要是塑性变形，以及粘性变形或其他形式的非弹性能量耗散；（2）在冲击过程中，吸能结构的变形模式应当保持稳定。考虑到在多种复杂的碰撞场景中，吸能结构和材料承受的载荷大小及方向具有较高的不确定性，这些结构必须维持稳定且可重复的变形模式，以确保其在应对冲击时的可靠性。（3）在初始峰值之后，结构上的载荷应该相对稳定；（4）结构应具有较长的压溃距离，这意味着在初始峰值压溃值之后，能量结构和材料应发生显着变形，同时保持一定水平的压缩力，从而吸收大量的碰撞能量；（5）整体能量吸收能力要强。能量吸收结构和材料应具有高的比能量吸收，即每单位质量吸收的能量。这就需要轻质且能够吸收大量能量的结构，这对于车辆携带的能量吸收器和个人安全装置至关重要REF_Ref16374\r\h[4]。因此，本文重点研究3D打印莲藕-蜂窝结构，充分利用其吸能特性应用在汽车吸能和防撞结构的轻质设计方面。1.23D打印技术及其国内外研究现状1.2.13D打印的历史3D打印技术起源于20世纪80年代。最初，它被称为快速成型技术，主要目的是快速制造出产品的原型和模型，以便在大规模生产前进行设计验证和结构测试。这种技术的发展极大地加速了产品设计过程，使得设计师和工程师能够快速迭代和优化他们的设计方案。3D打印技术的核心概念是将数字设计文件转化为物理对象。它基于一种逐层堆叠的制造方法，通过逐层添加材料来构建三维物体。这与传统的切削或加工方法不同，传统的制造方法通常需要从块状材料中去除多余部分，而快速成型技术则通过逐层添加材料的方式，直接制造出所需的物体。这种方法不仅节省了时间和成本，还提供了更大的设计自由度，快速成型技术因此逐渐发展成为现代的3D打印技术。斯特拉塔西斯在1984年发明了最早的3D打印机，他使用光固化聚合物材料的方法进行打印。这一技术被称为光固化3D打印，它通过使用激光或紫外线光源将液态光敏材料逐层固化，最终形成固体物体。随着3D打印技术的发展，不断涌现出新的打印方法和材料。例如，喷墨3D打印技术使用墨水喷射头将材料逐层喷射到打印平台上，形成物体。激光烧结3D打印技术则使用激光束将粉末材料烧结在一起，形成坚固的物体。此外，还有电子束熔化、电子束固化、喷墨熔化等多种3D打印技术。1.2.23D打印技术的分类根据3D打印所用材料的状态及成形方法,3D打印技术可以分为熔融沉积成形、光固化立体成形、分层实体制造、电子束选区熔化、激光选区熔化、金属激光熔融沉积和电子束熔丝沉积成形等REF_Ref16528\r\h[5]。（一）熔融沉积成形(FDM)熔融沉积成型技术，它是通过逐层累积的方式构建三维物体的一种打印方式。这种技术的工作原理是将塑料丝材通过加热装置加热至熔融状态，然后通过喷头精确挤出，并在特定轨迹上沉积层层材料来构建模型。使用的材料主要是热塑性塑料，如ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）和PLA（聚乳酸）光固化立体成形(SLA)光固化立体成型使用紫外光来固化液态树脂，从而逐层构建出精确的三维模型。这种方法首先设计三维模型并将其切分成多个横截面层。打印过程中，紫外激光按照这些切片的轮廓对液态树脂进行扫描，使其在接触光线的地方迅速固化形成固态层。（三）分层实体制造(LOM)分层实体制造技术采用薄片材料如纸张、金属箔、塑料薄膜等作为原料，在材料表面涂覆热熔胶，并根据各层截面的形状进行精确切割和粘贴，以实现零件的三维成型。这种技术具有成型速度快和能够制造大尺寸零件的优点。然而，该技术存在材料利用率低和成型后表面质量较差的缺点。（四）电子束选区熔化(EBM)电子束选区熔化是一种在真空环境中进行的制造技术，其中电子束作为其热源，金属粉末作为3D打印的材料。该过程涉及将金属粉末反复铺在粉末床上，并用电子束扫描以熔化粉末。这会产生许多小熔池，这些熔池融合在一起并凝固，不断形成一个完整的金属部件。该技术能够生产结构复杂和高性能的金属部件。但是被制造的零件，其尺寸会受到粉末床和真空室尺寸的限制。（五）激光选区熔化(SLM)激光选区熔化是一种粉末床熔化技术，它使用高能激光束作为热源来熔化金属粉末。在这个过程中，激光精确地扫描过预铺设在构建平台上的金属粉末层，按照数字设计模型的指令逐层熔化粉末。每扫描一层，粉末床就会下降一层厚度，新的粉末层被铺设，然后继续扫描。通过这种方式，激光选区熔化可以制造出复杂的金属部件，具有很高的精度和机械强度。这项技术特别适用于制造复杂的航空航天零件、医疗植入物以及工具和模具等。（六）金属激光熔融沉积(LDMD)金属激光直接沉积成形技术使用激光束作为热源。该技术配备了自动送粉系统，能够同步且精确地将金属粉末送入激光在成型表面形成的熔池中。在激光光斑移动的过程中，不断有粉末被送入熔池并熔化后凝固，逐渐形成所需的零件形状。这种成形工艺适合制造大尺寸的金属零件，但对于结构极其复杂的零件则有一定的制造限制。（七）电子束熔丝沉积成形(EBF)电子束熔丝沉积成形是一种在真空环境中进行的技术，其中电子束被用作热源。金属丝用作原料，通过送丝机构送入熔池。线材按照预定的轨迹连续沉积，直到生产出所需的组件或预制件。这种方法效率高,成形零件内部质量好,但是成形精度及表面质量差,且不适用于塑性较差的材料,因无法加工成丝材REF_Ref16528\r\h[5]。1.2.33D打印的应用随着科技的进步与生产力的发展，3D打印逐渐发展并应用于智能建造、汽车、医疗器械、航空航天、建筑等领域。时至今日，3D打印技术已经在多个领域取得了显著的进展，并且正在不断演进和发展。以下是当前的一些研究现状及进展：1.在材料选择领域：研究人员不断探索和开发新的打印材料，包括多功能材料、金属材料、塑料、陶瓷、生物可降解材料等。这些材料的出现拓宽了3D打印的使用范围，并提供了更多的选择使得科学家们可利用3D打印制造材料的微观结构。3D打印允许设计和制造传统制造技术难以实现的复杂几何结构。这包括具有内部通道、复杂支撑结构或分级孔隙结构的材料。2.在多材料打印领域：2020年，德国弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所宣称，他们开发了一种多材料喷射系统。该系统可一次处理多达4种材料，将其不同特性，如导热、导电、绝缘，组合到一个产品中。这使得制造出更复杂的物体和具有多功能的器件成为可能。3.在生物打印领域：3D打印技术的一个显著优势是能够自由制造个性化产品。这些定制化的植入物不仅促进了生物体的自我修复能力，还提高了生物相容性。此外，3D打印技术能显著降低植入产品的成本，尤其在生产小批量、结构复杂且需要频繁更换或维修的植入体时，其优势尤为突出REF_Ref16645\r\h[6]。再者，3D打印技术能够大幅度缩短植入体的生产周期，并且在提高产品质量方面表现出色。这包括表面的光滑度、制品的精度、可靠性以及可重复性都有显著提升。这些改进不仅优化了植入体的性能，也增强了其在临床应用中的效果REF_Ref16684\r\h[7]。4.在教育教学方面：可利用3D打印技术打印出具有保存价值或易损坏的物品的复制品用于展示，例如名家雕塑、古代器皿、手工艺品、教学用具等。这样，原本珍贵的物品可以得到妥善封存，同时复制品的展出既不影响这些珍贵物品的保存，也便于公众参观和学习REF_Ref16704\r\h[8]。1.2.43D打印技术国际与国内现状国际现状：目前,在全球应用3D打印制造的企业,美国3DSystems和Stratasys两家公司的产品占据了大部分的市场份额。不仅如此，美国的Fab@Home和Shapeways、英国的Reprap等都在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队REF_Ref16730\r\h[9]。（如图1.1所示）当前,国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中,行业巨头正在加速崛起REF_Ref16766\r\h[10]。图1.13D打印领域国际主要企业/研发团队及其技术特色国内现状：自20世纪90年代以来，国内许多高校都在进行自主研发3D打印技术。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造和FDM工艺等领域拥有相对较强的科研实力。华中科技大学在分层实体制造工艺方面具有优势，已成功研发出了HRP系列成型机和成型材料。西安交通大学自主研发了三维打印机的喷头，并成功研制了光固化成型系统以及相应的成型材料，实现了成型精度为0.2mm。中国科技大学砠研发了一种具有八个喷头的组合喷射装置，该技术有望在微制造和光电器件领域得到广泛应用REF_Ref16799\r\h[11]。总的来说，国内的3D打印技术研发水平与国外相比还存在较为显著的差距。最近几年，深圳威斯泰克、南京紫金利德、北京银华、江苏敦超等公司已成功完成了3D打印机的整体生产和销售。这些公司的共同之处在于它们都是由从国外归来的团队创立的，规模较小，产品技术相对低端，与国外制造商的同类产品相比。目前，国内生产的3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸、软件支持等方面仍存在商业需求难以满足的问题，需要进一步提升其技术水平。在服务行业中，我国东部的发达城市普遍看到企业应用进口的3D打印设备，开展了商业化的快速成型服务。该服务涵盖了模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。相较于内地，我国的港台地区在3D打印技术的引入和应用方面走在前面，覆盖范围更广，不过港台地区主要侧重于技术应用，而非自主研发REF_Ref16766\r\h[10]。1.2.53D打印蜂窝结构的研究现状借助于3D打印技术的进步，我们可以轻易制造定制化的蜂窝结构。3D打印技术在生产定制化蜂窝结构方面展现出了极大的潜力，特别是在研究蜂窝结构的机械性能。Sang使用了PLA-PCL/KBF纤维增强复合长丝，通过熔融沉积模型(FDM)技术制作出圆形蜂窝结构。这种结构利用基体的延展性和良好的界面，表现出了优异的能量吸收能力。这表明复合材料的调整和结构设计可以显著影响蜂窝结构的机械性能。Hedayati等使用FDM技术制作了PLA八边形蜂窝结构，并通过理论分析、数值模拟和实验方法探究了其弹性性能。结果表明，PLA八边形蜂窝结构的屈服应力和弹性模量与传统的正六边形蜂窝相近，提供了更多的设计灵活性同时保持了良好的机械性能。Zhang采用聚已内酯作为材料，通过3D打印技术制作六边形蜂窝结构，并研究了其在不同温度下的机械性能。研究发现，这种结构在面内压缩时的能量吸收高达0.988J/cm³，并且在多次变形后仍能恢复70%的形状，显示出优秀的循环稳定性和恢复能力。Yan通过3D打印技术制作了PLA六边形蜂窝结构并填充了PMI泡沫。通过实验和数值分析发现，填充泡沫的蜂窝结构在面内弹性模量、抗压强度和吸能性能上都得到了显著提升，表明填充材料的引入可以进一步增强结构的功能性。Antony通过3D打印技术制作了麻纤维/PLA蜂窝结构，并通过压缩和四点弯曲试验来表征其力学行为。这种自然纤维增强的复合材料蜂窝结构展现了在力学性能上的潜力，尤其是在可持续材料的应用上。除了上述常规的蜂窝结构外，学者们通过改变拓扑结构设计出了各种分层蜂窝结构。Tao和Li通过拓扑结构的创新改变，进一步提升了蜂窝结构的机械性能和能量吸收能力。Tao和Li采用了方形的分级（层级）蜂窝结构。分级蜂窝通过改变单元间的尺寸、形状或壁厚来创建不同的层级，这种设计可以在不增加材料用量的情况下，优化结构的承载能力和能量吸收效率。如图1.2a所示，与常规蜂窝相比，分层蜂窝的平台应力增加了146.9％，SEA增加了126.7％REF_Ref16959\r\h[13]。这种研究不仅有助于推动材料科学的发展，也为工程应用提供了新的解决方案。Chen等使用3D打印，通过将六边形蜂窝结构的单元格壁替换为三角形的格子而制作了分层结构(材料为VeroWhite)，如图1.2b所示，试验和模拟结果表明相对于规则蜂窝，分层结构的刚度、能量吸收都显著增加REF_Ref16959\r\h[13]。图1.2分层蜂窝结构1.2.63D打印莲藕结构的研究现状莲藕多细胞结构是一种具有良好能量吸收特性的新型填充结构。Xue，HT（2021年）结合基本管(BT)和莲花填充芯,建立了莲花填充管(LFT)。通过改变细胞结构的几何参数和细胞结构的排列,详细研究了LFT的能量吸收特性。LFT的能量吸收能力与填充柱数呈正相关关系,而LFT的峰值力与填充柱数呈负相关关系。能量吸收与细胞结构角度的关系是二次抛物线REF_Ref17040\r\h[14]。Xu,Ping(2023年)结合仿生学和晶格结构,设计了一种具有沙漏状细胞的仿生莲花晶格结构。利用添加剂制造技术,将单组电池堆叠在X、Y和Z的方向上。研究了单轴压缩情况下叶轮的力学特性，推导出了一个关于BLLS平均碰撞力的经验公式。实验和数值试验的碰撞性能指标分别为:初始峰值破碎力(IPCF)、能量吸收力(EA)和平均破碎力(MCF)分别为2.68%、0.52%和3.54%。该系统在压缩过程中表现出理想的变形模式,具有较高的EA和比能量吸收率,在工程应用中具有很大的应用潜力。1.3Abaqus软件的应用现状Abaqus软件是世界上知名的有限元分析软件，以其强大的有限元分析功能在工程领域中占有重要地位，特别是在处理复杂的机械性能分析方面显示出其优越性。不仅提供了广泛的材料模型选项，可以模拟从简单的弹性材料到复杂的非线性材料如橡胶和生物组织的行为。这使得用户可以根据具体需求选择最合适的材料模型进行分析。而且允许用户定义复杂的加载条件，包括温度变化、力的动态加载和多物理场作用等。这些功能使得Abaqus非常适合进行高级工程设计和故障分析。ABAQUS软件由于其广泛的应用功能和强大的分析能力，在各个工程领域中被广泛采用。在机械制造行业，ABAQUS被用来分析复杂机械系统的静态和动态响应，以及材料疲劳和失效。它能够帮助设计师优化机械部件的强度和耐久性；在土木工程中主要用于结构分析，如桥梁、高楼和其他大型基础设施的设计和安全评估。其能够模拟极端环境下的结构行为，如地震和风力作用。在汽车行业，ABAQUS用于车辆组件的设计验证，碰撞模拟，以及振动和噪声分析，帮助提高汽车的安全性和性能。ABAQUS是目前最先进的大规模通用非线性有限元分析系统，也是唯一应用基于特征的技术进行有限元分析的软件。ABAQUS/CAE利用10个功能模块按顺序完成有限元建模、分析计算和后处理任务：零件、属性、装配、步骤、相互作用、载荷、网格、作业、可视化和草图。在ABAQUS/CAE中，建模过程从用于创建模型组件的“零件”模块开始，然后是定义材料属性和截面的“属性”模块。材料属性通过截面分配给零件，然后“装配”模块将各个零件装配成一个完整的几何模型。Step模块定义了分析步骤和对输出变量的要求。“相互作用”模块指定零件之间的接触特性，可以将其视为特殊类型的载荷或边界约束。Load模块是用于指定载荷和边界条件REF_Ref17083\r\h[15]。在Mesh模块中完成有限元网格的划分，从而形成完整的有限元分析模型，所有数据存储在模型数据库(.cae)中。通过Job模块提交分析任务，并监控及诊断分析过程。完成分析计算后，结果存储在输出数据库(.odb)中，用于后处理展示各种图形REF_Ref17109\r\h[16]。1.4课题研究内容通过阅读大量文献，了解3D打印莲藕-蜂窝仿生结构静态力学行为国内外研究背景、概况以及研究现状，了解吸能参数的定义并学习蜂窝莲藕模型的构建，通过广泛查阅资料学习ABAQUS有限元模拟的基本方法和分析方法后发现，尽管有研究人员已经提出3D打印蜂窝结构有良好的吸能特性，也已知莲藕的多细胞孔结构有利于缓震吸能和轻质化设计，但莲藕-蜂窝复合仿生结构的研究仍较少。因此，本课题以3D打印的方式对莲藕-蜂窝结构进行打印，利用ABAQUS软件建立有限元模型，对莲藕-蜂窝复合结构的横截面做不同设计，比较分析了新型复合复合多细胞金属管莲藕-蜂窝结构的力学行为和能量吸收特性，最后使用Origin进行数据的采集与分析对计算结果进行可视化处理。具体内容如下：1.首先，介绍了设计莲藕-蜂窝结构的原因，选择的材料和方法。其次，探究了相同材料、相同打印工艺下制作出的不同结构材料进行表征。然后利用Abaqus软件建立仿真模型，做轴向准静态压缩模拟。同时，开展静态载荷下的实验研究，以验证模拟结果的准确性和复合结构的吸能性能。最后结合实验数据，用Origin处理并对比两种结构的吸能特性参数。2多孔薄壁金属管的设计制造2.1引言金属吸能结构在发生碰撞时可以耗散冲击动能。能量吸收器通过摩擦、断裂、坍塌、塑性弯曲、循环塑性变形等多种方式耗散动能。薄壁金属管是目前应用最广泛、性能最好的吸能结构。薄壁管可以合理设计，具有可控的失效模式和相对稳定的压缩载荷REF_Ref17142\r\h[17]REF_Ref17148\r\h[18]REF_Ref17151\r\h[19]。到目前为止，已有大量研究基于其结构和材料对金属能量吸收组件进行了研究，如多边形管、锥形/梯度/波纹管、表面缺陷管、多细胞管和轻质材料填充结构。一些新的轻质吸能材料和结构也被采用，如铝泡沫/蜂窝铝及其复合结构，晶格/桁架结构，金属纤维/金属丝多孔结构，也广泛应用于结构耐撞性和能量吸收（EA）。在过去的十年中，人们发现多细胞管在EA中比单细胞管更有重量效率。多边形多细胞管的发展经历了从传统的多细胞正方形管的转变。到多细胞同心正方形管。多单元同心六边形管和分层的多细胞管，传统的多细胞方管由外方管和内薄壁板组成，用于划分其内空间。20多年前，用两或三个薄壁板将方形管的内部空间分成两或三部分获得的双或三重多细胞管用于重量效率的EAREF_Ref17191\r\h[20]。通过数值模拟、实验和理论分析REF_Ref17233\r\h[21]方法，研究了四单元薄壁板的四部分的能量吸收特性。优良的轴向能量吸收特性也鼓励研究人员研究这种多细胞管的横向性能，还研究了单细胞、双细胞、四细胞、3×3或4×4细胞方形管在三点弯曲下的弯曲阻力。目前，研究人员主要将两种薄壁板、圆管和弯曲板三种元素结合起来，形成了吸收能量的多细胞管。由于这三种元素具有良好的能量吸收特性，因此就产生了制造包含这三种高效能量吸收元素的能量吸收结构的想法。应该如何设计具有这种特性的能量吸收结构？结构仿生学的设计理念给了设计灵感。结构仿生学考虑宏观结构和微观结构特征，使生物能够产生独特的功能和优良的力学性能，指导工程结构设计，为结构设计提供设计思想或生物原型REF_Ref17256\r\h[22]，并减少结构设计的难度。在上述研究结果的驱动下提出了新型复合仿生多细胞管，根据莲藕、蜂窝的结构特点，采用选择性激光熔化，结合圆管、弯板、平板三种高效吸能元素，采用仿生设计。通过实验和数值模拟，研究了在轴向弯曲载荷作用下，仿生多单元管的力学性能和能量吸收性能。本研究有望扩展生物灵感策略，以开发一些新型的能量吸收剂。2.2多孔薄壁金属管的结构设计生物的结构特征和功能原理是基于经过数百万年的自然选择、适者生存和长期进化后，结构和功能的整合。生物体的力学性能和优良的结构为结构设计提供了设计思路或生物原型，以优化结构的综合性能。荷花生长在深度约100厘米（30-50厘米）的水中，粘土具有良好的保水能力。荷花有多孔结构，可分为七个和9个洞。图2.1b).每个孔的结构几乎都是椭圆形的。通过x射线断层扫描重建荷花的横截面。图2.1c)和几何测量，椭圆型长轴被确定为大约为短轴的两倍。荷花多孔结构在水深约100mm的水压和30-50cm厚的淤泥下生长，表明该结构具有良好的横向抗压性。荷花的横截面激发了多细胞管（LR-IS）的灵感。图2.1c如图所示。蜂窝结构(图2.1e)由蜜蜂包含一系列整齐的六边形棱镜。这种六角形的结构表现出优异的几何性能和力学性能。许多研究人员或工程师模仿这种结构，使蜂窝夹层结构，具有相当的强度，重量轻。设计了莲藕蜂窝启发多细胞管（LR-HC1和LR-HC2）的横截面，如图所示：图2-1和图2-2。所有外管的外径30mm，壁厚为1mm。仿生多细胞管的高度：50毫米图2.1莲藕生物轴向横截面图图2.2仿生莲藕-蜂窝多孔管横截面图2.3多孔薄壁金属管的材料选择表2.1316L的化学成分元素含量(重量%)Cr16.00–8.00Ni10.00–14.00Mn≦2.00Si≦1.00Mo2.00–3.00C≦0.03Fe均衡2.4多孔薄壁金属管的制造图2.3描述了用选择性激光熔化（SLM）制备的薄壁空心管（HT）和仿生多细胞金属管。SLM设备是参数FS271M。SLM所用的原料为316L金属粉末，其化学成分见表1。SLM工艺参数主要包括边界扫描速度（400mm/s）、边界扫描功率（65%）、孵化扫描速度（1000mm/s）、孵化扫描功率（90%）和激光光斑直径（0.1mm）、尺寸精度（±0.02mm）。图2.3（a）选择性激光熔化制备的装置（b）生物激发多细胞管3莲藕-蜂窝仿生结构的数值模拟3.1准静态试验采用微控制电液伺服通用测试机，对所有高度为50mm的试样进行了准静态轴向压缩试验，如图所示（图3.1）。压缩速度为2mm/min,压缩位移为总高度或直径的70%。图3.1实验装置：压缩试验3.2仿真模型建立3.2.13D莲藕-蜂窝仿生结构的建模1.利用AutoCAD的草图界面制作出3D打印莲藕-蜂窝结构的横截面视图（如图3.2,3.3所示），其中外圆直径30mm内圆半径4mm，壁厚分别为0.3mm和0.4mm，椭圆中心到圆心距分别是9.8mm和8.16mm，长轴为8mm，短轴为4mm，偏置为72°。其中正六边形蜂窝按照内切圆参数刻画，内切圆半径分别是1.87mm和1.3mm，内切圆偏置分别为21°和17°，令小蜂窝填充满整个内平面。图3.2仿生结构参数图3.3CAD制图下横截面草图2.将CAD结构保存，导出IGS文件并用AbaqusCAE打开，新建模型数据库采用Standard/Explicit模型。首先，在部件中导入CAD草图并将其拉伸50mm。接着额外创建一个板模型，厚度设置为2mm，设置基准和参考点（如图3.4）图3.4固定板（移动板）部件3.2.23D莲藕-蜂窝仿生结构的参数设置1.由内部拉伸试验，得到316L的密度为7.65g/cm³，杨氏模E=195GPa，泊松比vs=0.3、屈服应力G′y=575MPa和极限应力G′u管子采用=788MPa，以及属性中的屈服应力与塑性应变曲线。（如图3.5所示）在ABAQUS模拟过程中，通常使用真实的应力-应变数据。首先，在属性模块中设置好相应的材料参数后创建截面并分别给两个部件指派截面。（如图3.6）图3.5拉伸应力应变曲线图3.6指派截面后的部件其次，进行网格的划分。移动板和固定板被认为是刚体，用3DDiscretegricdShell建模，因为这些物体在破碎过程中不应该出现任何变形。该管用3DDeformableSolid建模，并使用C3D8R外壳元素进行网格化。考虑到网格尺寸对精度的影响，考虑了7种不同的元素网格尺寸（0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm和3.5mm），进行了网格收敛性分析。但元素网格尺寸对初始峰值的影响不大，但对总能量吸收和计算时间，特别是计算时间的影响显著。考虑到计算资源和精度的平衡，在接下来的仿真中使用了2.5mm的网格尺寸。（如图3.7所示）图3.7仿生结构部件网格划分3.在装配模块中将部件按照参考点对齐装配。（如图所示，图3.8）为了研究管的准静态轴向力学行为，建立了有限元模型。准静态轴向模型由固定板、移动板和试管组成。管子的底部被绑在固定板上，管子的顶部被移动板压碎。图3.8装配模块下的部件4.进入分析部模块，创建分析步，类型选择动力-显示，几何非线性:开，时间设置为0.001s。再创建场输出，间隔调整为100，输出变量状态选择STATUS5.在相互作用模块，首先创建相互作用属性，并于接触类型中设置力学切向行为（摩擦公式：罚；摩擦系数：0.2）和法向行为，命名为。其次，创建相互作用，全局属性指派选择刚才创建的IntProp-1。最后，创建约束选择板上的参考点，将固定板和移动板设置为不发生变形的刚体。6.载荷模块：创建边界条件，将下面的固定板完全固定；对移动板用位移转角类型，设置向U3（Z轴正方向）压缩35mm，幅值按照比例，使得整个过程均匀下压。（如图所示，图3.9）图3.9载荷模块下的边界条件作业模块：创建作业，使用多个处理器并行，精度选择完全分析，然后提交作业并等待可视化结果。3.33D莲藕-蜂窝仿生结构的变形模式分析3.3.1轴向准静态载荷作用下的变形模式表3.1,表3.2说明了实验模型LR-HC1、LR-HC2在不同的破碎应变下渐进压缩变形的过程。轴向准静态压缩实验和有限元模拟的失效样本见表3.3。不同应变和失效样品下的有限元模拟变形结果与实验结果吻合较好。因此，利用有限元模型压缩变形的轴向截面图，可以反映实际管的内部结构压缩变形状态。如图所示，当实验模型被压缩10%时，LR-CH1与LR-CH2变形基本相同，产生墩粗变形，形变量较少，只有上下两部分发生内缩形变。当LR-HC1和LR-HC2的变形达到20%时，LR-HC1的上端和末端表现出褶皱变形，LR-HC2只有上端出现褶皱变形，中部未出现明显变化。当LR-HC1和LR-HC2的变形达到40%时，两者的变形相似。它们的末端表现出褶皱变形，上端都开始形成第二个塑性褶皱。当变形达到60%时，可以观察到明显的差异。LRHC1没有形成完整的圆形塑料铰链，但产生了局部塑料铰链和褶皱，而LR-HC2被压缩成柱，表面变形不明显。然而，这两根管的变形都是不稳定的。当变形达到75%时，可以发现LR-CH1内管表现出小的褶皱和凸起变形，产生严重的变形，增加了内空间和直径。LRHC2的内部结构过密，塑性变形空间很小。内管虽然有明显的扭曲，但内部结构有轻微的褶皱变形。而且LR-CH2的外管发生欧拉屈曲变形且断裂了，原因是该管管壁比较薄，极容易受材料和结构缺陷的影响。表3.1LR-HC1轴向准静态压缩过程0%10%20%40%60%75%表3.2LR-HC2轴向准静态压缩过程0%10%20%40%60%75%表3.3实验与模拟的失效样本对比4仿生莲藕-蜂窝结构的吸能性分析4.1轴向准静态载荷作用下的载荷-位移特性：图4.1，4.2为轴向准静态压缩荷载-位移曲线。一般情况下，金属管轴向准静态压缩载荷-位移曲线将经历两个典型阶段:先屈服后破碎至致密化的弹性变形阶段和波动塑性变形伪平台阶段。一般情况下，一旦金属管开始受到轴向压缩力的作用，金属管将逐渐由静止状态转变为褶皱形成的开始。然后，管子的轴向承载能力会因为产生褶皱而迅速下降。当一个褶皱的形成结束时，载荷曲线下降到最小值。对于50mm高的薄壁空心管，当轴向压缩位移达到35mm时，载荷随位移线性增加，直到初始峰值力(Fipf)。然后，载荷迅速减小，这与薄壁空心管压缩过程中的第一次褶皱形成相对应。随后薄壁空心管进入波伪平台的第二阶段，在此阶段管形成连续的塑性褶皱。这一阶段是通过塑性变形吸收能量的主要阶段。在70%应变变形下，薄壁空心管未进入致密化阶段，载荷迅速增加，表明其仍具有塑性变形吸收能量的有效长度REF_Ref17360\r\h[23]。图4.1,4.2为仿生多胞管的轴向压缩载荷-位移曲线。所有试管都经历了线弹性阶段，如图4.3所示。LR-HC1和LR-HC2具有相似的曲线，均表现为两个弹性变形阶段。第一阶段的瞬态弹性变形斜率几乎相同，为整个结构的弹性变形。初始弹性变形后，管材不进入塑性变形阶段，而分别在“g/b”点进入下一个弹性变形阶段。LR-HC1和LR-HC2在第二阶段的弹性变形分别达到“e/h”点，这是由蜂窝内部结构的弹性变形引起的。该阶段的弹性斜率小于初始阶段观测到的弹性斜率。LR-HC1和LR-HC2的弹性变形位移分别约为7.5mm和10mm，分别约占总高度的15%和20%。在此之后，产生LR-HC1的初始产率。曲线随后进入塑性阶段，波动至f点，这也是LR-HC1塑性变形吸收能量的主要阶段。然而，LR-HC2的载荷继续增大，直至压缩至约25mm，此时曲线直接进入压实和致密化阶段。屈服的困难对吸能结构不利，但其高承载能力和轻量化结构使其适用于轻量化承载结构。通过数值模拟和实验得到的轴压载荷-位移曲线不仅具有相似的变化趋势，而且具有相似的载荷值(图4.4)。数值模拟得到的轴向压缩变形与实验得到的轴向压缩变形高度相似(表3.1,表3.2和表3.3)，因此，通过数值模拟可以有效地预测仿生多孔管的力学行为。图4.1LR-CH1的载荷-位移曲线图4.2LR-CH2的载荷-位移曲线图4.3弹性变形阶段的载荷-位移曲线图4.4轴向压缩全过程曲线4.2莲藕-蜂窝结构的能量吸收分析薄壁金属管是汽车领域中最典型的能量吸收器。五个重要的参数可以用来评价能量吸收管的性能：能量吸收（EA）、初始峰值力（Fipf）、平均压缩力（MCF）、压缩力效率（CFE）和比吸能（SEA）。能量吸收由载荷-位移曲线下的面积计算，由等式给出(1)(1)其中，s为坍塌距离，F(s)为瞬时压缩力REF_Ref17409\r\h[24]REF_Ref17416\r\h[25]。初始峰值力（Fipf）是载荷-位移曲线的第一个峰值，结构从弹性变形到塑性变形的屈服值。一个较高的峰值力会导致高加速度。为了减少车辆碰撞时对乘客的伤害，吸能结构的初始峰值力应尽可能降低REF_Ref17409\r\h[24]REF_Ref17416\r\h[25]。平均压缩力表示破碎力的均匀性。平均压缩力值越高，即初始冲击效果较弱，有利于减少在车辆碰撞事故中的碰撞期间对乘客造成的伤害。压缩力效率是平均破碎力与初始峰值力之比(CFE=Favg/Fipf)。Favg为平均破碎力，由式(2)计算REF_Ref17409\r\h[24]REF_Ref17416\r\h[25]（2）比吸能，即SEA，是一个有量纲评估指标，是单位质量所吸收的能量，定义为总吸收能量与管的质量之比(SEA=EA∕m)，表示能量吸收的质量效应。由于比吸能表现了结构单位重量的能量吸收能力，因此对于那些需要考虑自重的能量吸收器来说，这个指标显得尤其重要REF_Ref17478\r\h[26]。比吸能的值越大，管子单位质量吸收的能量越大。表4.1轴向准静态能量吸收评价参数名称质量（g）高度（mm）初始峰值力（KN）峰值载荷位移（mm）能量吸收（J）平均压缩力（KN）压缩力效率比吸能(约克)LR-CH177.550181.77.16544.4186.5102.6%84.4LR-CH295.650274.520.18040.6231.384.3%84.14.3莲藕-蜂窝结构的能量吸收效率分析表4.1总结了LR-HC1、LR-HC2的吸能评价参数的吸能特性。与LR-CH1相比，LR-CH2质量增加了18.1，初始峰值力增加了92.8。代表承载能力的平均压缩力提高了。两个结构的压缩力效率分别为102.6%和84.3%。压缩力效率越大越接近1，说明平均压缩力与初始峰值的变化越小，而且结构产生的初始冲击效应也较弱。与LR-CH1相比，LR-CH2的CFE降低了18.3%。LR-CH1的压缩力效率接近于1，初始冲击效应较弱。与LR-CH1相比，LR-CH2的能量吸收增加了22.9%,LR-CH2的比吸能却与LR-CH1相近。LR-HC2的重量比LR-HC1高23%，直到压缩到20mm左右才会产生明显的屈服，大约是LR-HC1的3倍。LR-HC2初始峰值力为274.5kN。与LR-HC1相比，初始峰值力、能量吸收和平均压缩力别增加了51%、22.9%、24%。这说明在这些仿生多细胞管中，LR-HC2在碰撞中具有最明显的初始冲击效应。薄壁空心管若按照相同高度设计，平均压缩力效率应为50%左右，比吸能应该在28克。由图4-4可以看出，LR-HC1和LR-HC2的压缩力效率和比吸能均远高于薄壁空心管。这表明所有仿生多细胞管不仅产生的初始冲击效应要弱得多，而且单位质量的能量吸收能力也要比薄壁空心管强得多。这些特性都非常有利于吸能防撞结构的轻量化设计，保证轻量化结构在高速冲击下的吸能应用。这些仿生多细胞管的压缩力效率在0.8到1.0之间，随着管的复杂性和质量的增加而增加，但LR-HC2是个例外。这些仿生多细胞管的比吸能也随着管的复杂性和质量的增加而增加。LR-HC1在多细胞管中质量虽然小，但其平均破碎力和比吸能是比蜂窝胞数更多的LR-CH2大。由此可见，其综合吸能特性较好。LR-HC2虽然能量吸收值最大，但其结构复杂，质量大，压缩力效率低。由此可见，它的综合能量吸收特性并不是很好。仿生金属管的比吸能随质量、破碎力效率、平均破碎力和能量吸收的增加而增加，远高于金属薄壁管。这一特性表明，圆管、曲面板与平板的组合非常有利于获得具有高能量吸收性能的管体，对发展吸能避碰结构具有重要的意义和价值。5结论与展望5.1总结通过实验和数值模拟，研究了莲藕-蜂窝仿生多孔管(LR-HCI和LR-HC2)在轴向压缩条件下的力学行为和吸能特性。(1)仿生多孔管的轴向压缩变形模式由外管轴向压缩变形与受莲藕和蜂窝启发的内细胞轴向压缩变形相互作用决定。内细胞越复杂，变形空间越小，形成完整连续的塑性铰折越困难，对吸收能量和防止碰撞也越不利。这两种类型的多胞管主要表现为两种变形模式。LR-HCI的变形呈递进屈曲模式，具有大量短波长的褶皱，非常有利于能量吸收。LR-HC2的变形为整体屈曲模式，长波长褶皱较少。(2)多孔管的轴向载荷-位移曲线表现出三种不同的特性。LR-HCI的荷载-位移曲线经历了两个不同斜率的线弹性阶段、波动塑性变形伪高原阶段和压实阶段，而LR-HC2的荷载-位移曲线在经历了两个线弹性阶段后直接进入了压实阶段。相比之下，LR-HCI的荷载-位移行为有利于吸收能量。(3)仿生多胞管均具有结构吸能和耐撞性所需的轴向变形和力学行为特征。其破碎力效率值在0.8~1.0之间，远高于薄壁空心管(0.5)。其比能吸收值比金属薄壁空心管高。(4)仿生多细胞管内部细胞的结构形式影响了轴向压缩变形模式、力学曲线和能量吸收特性。单元胞之间以及单元胞与外管之间产生了不同程度的相互作用效应。仿生多细胞管的相互作用效应所耗散的能量约占其自身耗散总能量的30%-50%。(5)仿生多细胞管的径向压缩变形模式相似，都是薄板和曲面板沿径向方向以一定角度逐渐与水平面受压时，经屈曲、增厚、拉伸和弯曲等作用形成的复合变形。压缩结果在截面上均为不规则变形，纵剖面上为板层结构。各构件均变形为平板。(6)仿生金属管在轴向方向上的比能吸收值为27.7~84.4J/g、仿生多胞管在轴向方向上的力学行为和吸能特性表明，轴向是吸能和避碰的主要方向，横向具有足够的承载能力。这些仿生多胞管具有作为轻量化、整体刚性、抗冲击、吸能的独立吸能材料的潜力。5.2创新点本研究的创新点主要体现在以下几个方面：1.仿生结构设计方面：本结构通过借鉴莲藕，蜂窝等生物结构的特点，将圆管，曲面板，平板等高效能量吸收元素结合起来，进行了复合仿生多孔管的设计。这种结构设计方法在能量吸收方向具有潜力，为开发新型能量吸收器提供了生物启发策略。2.力学行为研究方面：本研究通过实验和数值模拟，对仿生多孔管在轴向压缩加载下的力学行为和能量吸收进行了系统的研究。结果表明仿生多孔管具有良好的能量吸收特性和碰撞防护能力，其吸收能量效率和比能量吸收值明显高于传统的薄壁空心管。3.内部单元结构的影响方面：本研究发现，仿生多孔管的内部单元结构对轴向压缩变形模式，力学曲线和能量吸收特性具有重大影响，不同单元之间以及单元与外部管之间的相互作用效应对能量吸收起到了约30%-50%的贡献。这三点创新性的研究成果为轻量化，整体刚性，抗冲击和能量吸收的独立能量吸收器的开发提供了新的思路和方法。5.3应用与展望5.3.1研究的不足之处：首先，虽然研究了两种莲藕-蜂窝结构类型的仿生多腔管，但仍有其他结构形式和材料可以进一步探索。例如，后续可以研究管内蜂窝形状、数量、密集度对吸能的影响，亦或者选用除了316L金属粉末以外的其他具有优异性能的材料打印。其次，本研究主要关注了力学行为和能量吸收特性，对于其他性能指标（如耐久性、疲劳性等）的研究还比较有限。此外，本研究的实验和数值模拟结果还需要进一步验证和优化LR-CH1模拟实验的载荷-位移曲线仍然不够理想，应当考虑是否是在利用Abaqus软件时，网格划分的结构形状与网格划分精度问题。5.3.2后续研究的方向：优化设计：可以进一步优化生物启发式多腔管的结构设计，探索更高效的能量吸收和碰撞防护性能。可以通过改变腔管的形状、尺寸和排列方式等参数，以及调整材料的性质，来提高结构的能量吸收能力和强度。材料选择：可以研究不同材料的应用，以寻找更适合的材料来制造生物启发式多腔管。可以考虑使用新型材料或复合材料，以提高结构的强度、刚度和耐冲击性能。加工技术：可以探索更先进的加工技术，如3D打印、激光切割等，来制造生物启发式多腔管。这些先进的加工技术可以实现更复杂的结构形态和更高的制造精度，从而提高结构的性能和可制造性。多尺度分析：可以进行多尺度的数值模拟和实验研究，深入理解生物启发式多腔管的力学行为和能量吸收机制。可以通过微观结构的分析，揭示不同尺度下的力学响应和损伤机制，为进一步优化设计提供理论指导。5.应用领域扩展：可以将生物启发式多腔管应用于更广泛的领域，如汽车、航空航天、体育器材等。可以研究不同应用场景下的结构性能和工作条件，以满足不同领域的需求。未来的研究可以在结构设计、材料选择、加工技术、多尺度分析和应用领域扩展等方面展开，以进一步提高生物启发式多腔管的性能和应用范围。参考文献刘星雨.热作模具激光仿生熔凝及合金化修复研究[D].吉林大学,2014.彭杰．基于仿生学的汽车低速吸能盒研究[D]．长春：吉林大学，2015．赵婧.3D打印技术在汽车设计中的应用研究与前景展望[D].太原理工大学,2015.王敏.轴向压缩下圆管的吸能特性研究[D].宁波大学,2014.张学军,唐思熠,肇恒跃,郭绍庆,李能,孙兵兵,陈冰清.3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程,2016,44(02):122-128.BANKSJ.Addingvalueinadditivemanufacturing:researchersintheUnitedKingdomandEuropelookto3Dprintingforcustomization[J].IEEEPulse,2013,4(6):22-26.MERTZL