ABB 应用仿生学和生物力学 1754 - 2103 1176 - 2322 Hindawi 10.1155 / 2017/5894938 5894938 研究文章 防撞性设计仿生保险杠结构受香蒲和竹子 徐 道 1 刘 年兽 1 http://orcid.org/0000 - 0002 - 1461 - 5327 余 Zhenglei 2 http://orcid.org/0000 - 0001 - 6413 - 4612 徐 Tianshuang 1 http://orcid.org/0000 - 0003 - 0498 - 4791 邹 孟 2 达斯 Saurabh 1 机械科学与工程学院 吉林大学 长春 中国 jlu.edu.cn 2 仿生工程的重点实验室 教育部 吉林大学 长春 中国 jlu.edu.cn 2017年 8 10 2017年 2017年 28 04 2017年 17 08年 2017年 19 09年 2017年 8 10 2017年 2017年 版权©2017道徐et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

在自然界中许多材料表现出优异的力学性能。在这项研究中,我们评估了仿生保险杠结构模型,利用非线性有限元(FE)模拟的防撞性加载下全尺寸的影响。结构包含香蒲和竹子的结构特点。结果表明,仿生设计增强了特定的吸收能量(海)的保险杠。数值结果表明,仿生的仿生十字梁和仿生盒保险杠的防撞性结构有显著的影响。仿生十字梁的挤压变形和盒子保险杠模型降低了33.33%,和总重量减少了44.44%。横向影响下的能量吸收能力,仿生设计可以用于未来的保险杠的身体。

 吉林省科技发展 20150520106 jh 中国博士后科学基金会 2016年m590256 国家自然科学基金杰出青年学者 51505181 1。介绍

在交通事故中,保险杠,侧门的梁,b的汽车能吸收能量的影响,确保司机和乘客的安全。保险杠受到横向冲击荷载的影响过程。保险杠的主要功能是减弱的影响碰撞直接接触( 1]。一般来说,汽车的保险杠由四个不同的部分组成:筋膜,十字梁,碰撞盒,可压碎的列( 2]。保险杠下的十字梁通常是加载的薄壁截面横向压缩(图 1)。很多研究薄壁结构进行了矫直过程中横向压缩( 3]。薄壁结构作为良好的能量吸收器在试验研究,分析和数值方法。

保险杠的有限元模型:(a)细节放大比例尺,(b)十字梁的截面,和(c)碰撞盒的部分。

刘( 4]调查数字传统多边形与矩形薄壁列,八角形,和弯曲的六角列,在准静态轴向和横向荷载条件。艾哈迈德,Thambiratnam 5)发现了锥形管装满泡沫比空锥形管更好的能量吸收性能。在轴压缩条件下,风扇等。 6]研究了六角形,八角形,12-sided 16-sided管实验和数值。结果指出,角落的数量直接关系到能量的吸收。在一定范围内,增加的数量的角落薄壁列可以帮助提高能量吸收。沈et al。 7]研究了两个同轴铝管的横向破碎行为充满了泡沫铝的不同的直径。方等。 8)调查的能量吸收特性功能梯度foam-filler成矩形列横向冲击荷载。

一些研究员介绍了特殊的横截面的薄壁结构在各种负载条件下的能量吸收器( 9- - - - - - 11]。Loughlan et al。 12)确定薄壁通道的耦合局部扭曲段使用有限元模型。Alavi Nia和Parsapour 13)研究了三角形的力学行为,广场,六角形,八角形的薄壁管在准静态轴向载荷。准静态横向载荷作用下,Baroutaji et al。 14)使用响应面和优化方法来解决薄壁矩形管的吸收能量问题。

研究薄壁结构在上述文献中有一个简单的横截面。复杂截面薄壁结构的可能比现有的更好的防撞性,但它仍然是一个开放的挑战,研究人员如何更好地设计一个薄壁结构碰撞性能和易于生产。数十亿年的进化之后,一些生物结构已经优良性能和巧妙的框架,它可以为薄壁结构设计师提供灵感。

如今,仿生结构得到研究者的关注由于其优秀的碰撞性能和重量非常轻。竹( 15, 16],楔叶类[ 17, 18],和香蒲[ 19)类型的梯度复合材料具有良好的力学性能的自然环境。由于竹子的低密度,stiffness-mass比率高于一些钢铁和铝等金属材料。楔叶类的结构特点在于圆柱多单元结构具有良好的抗弯性能。紧急的叶子表现出高长细比和不同的捻手性形态。发现树叶已发展多尺度结构和优越的机械性能,这两个特性功能梯度变化,提高抵抗失败。各种研究与宏观结构和微观结构表明,梯度分布的植物具有良好的机械性能 20.- - - - - - 23]。仿生结构防撞性能比传统的薄壁结构横向动力载荷下时。然而,我们所知,很少有研究仿生结构的防撞性横向动力载荷条件下( 24- - - - - - 26]。

在这个工作中,两种仿生结构是模仿:竹子和香蒲的结构特点。我们创建了一个有限元(FE)模型和验证我们的结果与实验的影响。我们模拟的过程能量吸收轴向/横向载荷作用下,利用非线性有限元代码LS-DYNA下降的影响。结果表明,仿生结构的设计可以进一步提高更好的防撞性和结构的行为。

 2。仿生设计

自然界中,生物结构需要适应周围的环境。许多结构是轻量级和良好的机械性能,可以运输水分和养分从根到叶 27]。

2.1。香蒲植物和竹子

香蒲也叫香蒲,这是一个紧急水生草本多年生大型植物(图 2)。他们主要居住在河流、湖泊、沼泽、河流、水库、沟渠、淡水池塘、运河等浅水区域( 28, 29日]。由于其广泛的分布和特性,茎和叶可以用作原料蜡烛芯,纸,绳索和机织物。

香蒲植物:植物在野外,(b)横截面的紧急叶从基地到顶点,和(c)紧急叶的显微结构观察使用SEM [ 19]。

为了理解手性香蒲的力学行为的影响,研究人员调查了扭曲的手性形态和香蕉叶子的风适应实验。从图 2 (c),其多尺度结构使用光学显微镜观察,具有优越的力学性能。发现树叶已发展多尺度结构和优越的机械性能,这两个特性功能梯度变化,提高他们的抗倒伏的能力。手性形态和重新配置的协同效应可能大大提高在风中香蒲植物的生存能力( 19]。

竹子是一个典型的管状结构具有良好的力学性能的自然环境。他们有一个多层复合结构从细胞水平上组织水平( 30.)(图 3)。竹子的优异的力学性能取决于空旷,管状,离散分布的节点,维管束的梯度分布,多层结构的软骨细胞 20.]。大量的组织之间的空隙使竹子容易分裂在轴向加载导致减少吸收能量的竹子。

竹子:(a)收集网站的竹子,节间样本(b)和(c)截面( 15, 16]。

在这部作品中,香蒲和竹子被用来设计仿生十字梁结构的原型是仿生能量盒。

 2.2。仿生十字梁和仿生能量盒的设计

在图 2 (b)香蒲的内部肋骨结构可以很好的抵抗外部压力。根据其结构和功能特点,卡布奇诺的仿生十字梁结构的设计(图 4(b)、(b))。

仿生保险杠模型:(a) b保险杠模型和(b) B-CB&B保险杠模型。

在图 3 (c)我们显示,竹子的宏观结构。负载是由维管束的竹子,这是与地面组织(作为一个矩阵)。因此,这些矩阵的结构和功能应用于仿生结构荷载传递和能量吸收效率的提高。仿生设计矩阵连接仿生十字梁和交通负荷称为仿生框(图 4(一),(C))。

竹子具有良好的抗弯和抗压性能,防止开裂现象在垂直和水平压缩加载( 25]。因此,焊接板设计作为仿生仿生节点钢筋肋保险杠结构。

基于结构之间的关系和香蒲和竹子的动态力学性能,仿生结构的三个组成部分(即。、仿生十字梁、仿生框和焊接板)设计。两个仿生保险杠模型,即bio-box保险杠(b保险杠)和bio-cross-beam bio-box保险杠(B-CB&B保险杠)是由结合不同的仿生组件(图 4)。仿生十字梁的参数、仿生框和焊接板如图 4,列出了仿生结构的结构参数表 1。仿生十字梁和仿生盒采用挤压铝而不是高强度钢减少总重量。材料都是标准的类型可以从供应商购买。

模型的参数。

模型 组件 部分 材料 厚度(毫米)
最初的保险杠 十字梁 高强度钢(trip800) 1.8
盒子 高强度钢(st280) 1.8
b保险杠 十字梁 高强度钢(trip800) 1.8
盒子 挤压铝(6062 t6) 1.5
焊接板 高强度钢(st280) 1.4
B-B&CB保险杠 十字梁 框架 挤压铝(6062 t6) 2。0
烧烤 挤压铝(6062 t6) 1.7
盒子 挤压铝(6062 t6) 1.5
焊接板 高强度钢(st280) 1.4
3所示。数值模型 3.1。结构防撞性标准

正确地定义碰撞性能的评价标准是至关重要的仿生保险杠。广泛使用的概念在碰撞标准能量吸收(EA kJ),意味着破碎力(MCF N),和特定的能量吸收(海,kJ / N)。海表示每单位质量吸收器吸收的能量,这是通常用于估计结构的能量吸收能力。 (1) 年代 一个 E = E 一个 米 , 在哪里 米代表结构的总质量。EA代表碰撞的能量吸收,可作为制定 (2) E 一个 = ∫ 0 年代 F x d x , 在哪里 年代代表了位移和崩溃 F表示力的影响。从( 2),它可以看到大海价值较高的设计能量吸收结构,具有更好的碰撞过程中能量吸收能力。

 3.2。有限元建模方法

有限元模型被开发使用Hypermesh 14.0,和使用商业代码LS-DYNA碰撞进行了分析。壳元素被用来设置墙。在这部作品中,没有考虑材料铝合金管的失败。这是没有必要的,较小的网格大小会显著提高仿真结果的准确性,但它肯定会增加计算成本。因此,在测试之前,网格研究的准确性。我们测试了力与位移的五种不同网格大小和采用的元素大小2.0×2.0毫米在我们所有的模拟。有限元模型b的保险杠下侧的影响如图 5。有几个材料,如高强度钢和挤压铝用作墙在不同的应用程序。

b保险杠的啮合有限元模型。

在这工作,模拟执行分析仿生保险杠的能量吸收的影响。这是一个积极的影响测试,我们使用一个全尺寸的刚性墙粉碎的保险杠模型类似于汽车正面碰撞。这三个模型已经受到刚性墙的影响,与刚性墙的高度影响测试转化为真正的碰撞。通过计算动能守恒,全尺寸刚性墙的重量为9123.3 N。测试的初始速度为4.33米/秒。测试的加载如图 6和组件的材料列在表中 1。

模拟加载条件下的全尺寸的影响。

 4所示。数值模拟和分析 4.1。验证的有限元模型

正面碰撞试验是一个主要的测试,以验证车辆的被动安全性能( 31日]。一辆车的保险杠正面碰撞的条件下进行测试。在这个实验中,最初的保险杠影响到刚性墙4.4米/秒。验证有限元模型,保险杠具有相同的几何模型,形状,和荷载条件发达国家和模拟实验。因此,实验结果验证了有限元模型的研究。

在图 7,我们展示了保险杠的变形在碰撞过程中,由高速摄影机拍摄。从0到40 ms,十字梁吸收冲击能量,产生大的塑性变形。从40到60毫秒,碰撞能量传播的盒子产生塑性变形。60毫秒后,结构被不能吸收任何影响能量的影响。图 8显示崩溃行为模拟的有限元模型的比较。从数据 7和 8可以看到,它的模拟结果与实验结果基本一致。因此,有限元模拟可以可靠地研究仿生保险杠的行为。

全尺寸初始保险杠的碰撞测试实验。

全尺寸的初始保险杠碰撞试验模拟。

 4.2。全尺寸的碰撞仿真

在材料科学与工程,·冯·米塞斯应力是一个标量值的压力可以从柯西应力张量的计算 32]。它是用来预测产生复杂载荷作用下的材料。在这种情况下,破碎和变形过程的两个仿生保险杠结构如图 9。从图可以看到,吸收盒接触十字梁,从而有更高的米塞斯应力,因此折叠逐步在20毫秒。与初始的保险杠模型相比,米塞斯应力的分布两种仿生结构缓冲模型小,破碎现象发生在40 ms。B-CB&B保险杠模型的仿生十字梁也米塞斯应力的分布,表明仿生十字梁所扮演的能量吸收。仿生十字梁和盒子的折叠模式发挥了重要作用在全尺寸新仿生保险杠的碰撞仿真结构。根据结构和力学行为的三个模型,仿生十字梁和仿生盒是主要的组件来有效地提高模型的稳定性上卫冕失败的负载。

全尺寸两个仿生保险杠的碰撞试验模型通过仿真:(a)的结果b保险杠模型和(b) B-CB&B保险杠模型的结果。

图 10显示此基础和航海时间曲线,分别对三种类型的保险杠模型尺寸的压碎载荷作用下。最初的保险杠的曲线低于仿生保险杠的结构。B-CB&B峰的曲线的峰值高于b保险杠模型。能量吸收的结果,变形,总重量是表所示 2。与初始的保险杠模型相比,b保险杠的能量吸收模型和B-CB&B保险杠模型增加了15.16%和83.03%,分别。和挤压变形降低了35.90%和33.33%。样品的力学性能和变形行为表明,内部核心结构的力学性能有很大的影响模型。横墙和一个轻量级的分离核心增加三明治结构的惯性矩,使结构抵抗弯曲和屈曲载荷。两个仿生保险杠模型的能量吸收高于最初的保险杠模型,和两个仿生模型的变形远小于最初的一个( 15, 16]。比较这两个仿生保险杠模型,它可以看到B-CB&B模型与复合材料能量吸收特性最好的最少的重量。灵感来自香蒲和竹子的梯度分布,仿生十字梁结构压缩性能和仿生能量盒有弯曲的特点。这些结果表明,仿生结构可以有效地提高保险杠的耐冲击的结构。

防撞性特征与全尺寸碰撞缓冲器模型:(a) lead-displacement曲线和(b)航海时间曲线。

结果。

模型 能量吸收(kJ / N) 变形(毫米) 总重量(N)
最初的保险杠 1.550 39 52.974
b保险杠 1.785 25 49.05
B-CB&B保险杠 2.837 26 29.43
5。结论

在这项研究中,我们调查了两个仿生保险杠模型尺寸的崩溃和大小影响载荷作用下,保险杠模仿香蒲的结构特点和竹子。三种有限元模型一直在调查防撞性LS-DYNA使用非线性有限元代码。根据计算结果,非常影响他们的防撞性仿生保险杠模型。这个工作的要点总结如下。

灵感来自香蒲和竹子的梯度分布,两个仿生保险杠结构模型设计,组成一个仿生十字梁,仿生盒,焊板。仿生十字梁也有着相同的功能的香蒲的内部结构,充当的仿生框矩阵和维管束的竹子,和焊接板类似竹子的关节。

结果表明,仿生保险杠模型比初始模型有更好的能量吸收特性。BCB&B保险杠有最好的能量吸收特性。与此同时,挤压变形降低了33.33%,总重量为仿生保险杠模型降低了44.44%。

数值结果表明,能量吸收能力的仿生保险杠结构表现出潜在的优势条件下的全尺寸的影响。然而,仿生结构需要进一步的研究来探索香蒲和竹子的复杂结构。仿生结构可以作为能量吸收器在汽车的身体和其他工程应用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

作者要感谢国家自然科学杰出青年基金(批准号51505181),中国博士后科学基金资助项目(没有。2016 m590256),吉林省(没有的技术开发。20150520106 jh)。

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