仿生设计缓冲梁受弯和能量吸收特性的竹子

文摘

本研究进行了准静态三点弯曲试验研究竹节点的能量吸收的影响,弯曲,竹子的变形特征。结果表明,节点加固的影响的能量吸收和弯曲强度竹茎受到弯曲负荷。实验结果表明,节点样本(NS)明显比节间的样品没有节点(INS)。在三点弯曲载荷下,竹子是骨折失败的主要失效模式。节点还显示明显分裂和骨折的预防功能。在此基础上,一系列的仿生保险杠横梁设计灵感来自于竹节点。有限元分析结果表明,仿生缓冲器的性能比正常的保险杠关于弯曲强度,能量吸收和是轻量级的。特别是,仿生缓冲梁具有最佳性能关于弯曲,与正常相比能量吸收,轻量级的保险杠下杆的影响。仿生缓冲梁的特点是高于正常缓冲梁的弯曲强度为12.3%,EA为36.9%,31.4%,海中;此外,有一个质量减少4.9%,这仍然需要进一步优化。

1。介绍

结构在自然界中进化来适应环境经过数百万年的进化。竹子是一种生物结构强化了节点(1]。的形态和力学,竹子已经灵活地适应弯曲造成的损害自然力量和外部负载,如风、雪、雨。空心结构和节点中扮演重要角色让植物达到最优刚度和稳定性最少的材料(2]。此外,竹节点对提高刚度和稳定性至关重要的细竹茎在增长(3]。

先前的研究人员讨论,这些节点机械功能,改善煤粉的刚度和强度。例如,邵et al。4- - - - - -6]提出竹对提高刚度和稳定至关重要的节点被细长的竹茎在增长。巴拉狄和Alizadeh7]声称节点支持煤粉防止失败由于局部屈曲。孟et al。8]研究了能量吸收特性和材料参数的竹种落锤和动态拉伸测试。结果表明,节点的能量吸收样品大于节间的样本。

应用程序需要大型能量吸收和弯曲强度,保险杠横梁在轿车的关键结构之一,应精心设计和制造以达到良好的影响行为。如今,一些道路的组件(比如路边安全结构和车辆安全组件已经被广泛使用9- - - - - -11),这些结构都提交给冲击荷载条件,如保险杠和粉碎箱。至于保险杠,有很多研究。Hosseinzadeh et al。12]研究商业前保险杠梁用玻璃做成的垫子热塑性建模使用LS-DYNA(格林尼治时间)的影响,结果表明,这种保险杠的优点是重量轻,易于生产,减少生产成本。Belingardi et al。13]比较e玻璃/环氧树脂应用于缓冲梁与钢和e玻璃/环氧复合梁结构。,结果表明,应用于缓冲梁具有类似的能量吸收能力对钢铁正常生产解决方案。

防撞的保险杠梁在冲击载荷的设计是一个非常具有挑战性的工作,因为它涉及几何非线性、弹塑性变形和非线性接触变形。生物在自然界中经历了一个漫长的过程的进化适应环境,所以他们往往有一个更好的设计,可以适应各种条件:其结构通常具有优越的机械和多功能特性。仿生学的关于生命的创造力工程是生物的应用方法,旨在研究和设计的工程应用;它已经成功地应用在材料和结构设计14]。Yu et al。15,16]研究的结构和力学特性牛的角,然后提出结构特性也可以用于防撞性字段。赵et al。17)调查了巨大的睡莲叶子肋骨和仙人掌茎的最佳框架和性能优越。然后他们提取的结构特点和使用他们的bioinspired林MC6000龙门加工中心横梁的设计,已更好的负载容量比传统的分布。至于竹,马等。18)设计了一种仿生圆柱结构模拟的梯度分布维管束和薄壁组织细胞。经过有限元分析,结果表明,仿生壳的承载能力增加了124.8%。灵感来自竹节点和节点横隔膜的方式提高竹子的横向强度,刘等人。19)设计了凸multicorner薄壁列通过添加舱壁的列,并发现bioinspired结构比传统的结构。

摘要竹子样品与节点,没有节点的影响进行了研究,以确定节点的抗弯强度和能量吸收的竹子。同时,竹结构节点的影响调查研究维管束节点力学性能的煤粉。灵感来自竹子节点和节点膜片的结构,一个新的优秀的缓冲梁称为仿生缓冲梁提出了在本文中,这是一个高强度,轻量级的缓冲梁。

2。材料和实验

2.1。材料

竹(植被类型下毛竹)样本收集来自江西省,中间元河附近,亚热带季风湿润的天气。竹子是切成三部分(上、中、低)。在准备样品和节点,节点定位中心的样本。样品与没有邻近的节点被部分相同的煤粉,从而使一个几乎均匀厚度的样品,如图1(a)。这些样本分为节间的样品没有节点(名为INS)和节点样本(NS),如图1(b)和1(c),竹样本3岁,接近一个完整的植物的茎20 - 70毫米直径。竹子是7-30毫米的壁厚。竹样本编号和密封之前回来,然后下的竹样本处理测试需求。

尺寸和数量的竹子样品如图1(d)和表1。15个不同样本位于竹茎的不同部位和不同数量的节点。样品是由字母和数字命名。第一个字母“U”代表的上部竹子,竹子“M”的中间部分,和“D”的下部竹;最后一个数字代表竹节点的数量。

2.2。实验的程序

竹杆的直径从基底上蜡烛20.,21]。它的顶部有一个直径小于基底。在这篇文章中,它的横截面被假定为根据ISO 22157 - 1:2004空心圆柱体(22,23]。在这个实验中,准静态三点弯曲测试执行与吉林大学的电子万能试验机,模型css - 44100 20 kN的负载能力和内部位移传感器。

图2显示了一个示意图的三点弯曲试验的设置。三点弯曲试验平台由两个固定支持和硬度计压头固体铝做的。上硬度计压头安装在传动装置的测试框架。两者之间的样本集中放置固定较低的支持。摄像头是安装在地面获得镜头在弯曲破坏模式的样本。竹子样品固定在两个轴心,硬度计压头压缩与一个常数弯曲5毫米/分钟的速度。每个样本加载失败,弯曲力被记录在弯曲崩溃,不断与油缸的位移,force-deflection曲线弯曲过程的。

摘要弯曲强度(BS)、径向能量吸收(EA)和径向特定能量吸收(海)应用于评估竹样本的特点。可以被弯曲强度 在哪里σ_bMPa的弯曲强度的单位,P_马克斯的最大破碎力的单位N,l是跨越距离的两个支持单位毫米,h的单位毫米宽的示例,然后呢h的单位毫米高度的示例。

海的表达(24)所示 在哪里米摧毁了样本的质量和EA (25)的总能量吸收的样本,可以获得 在哪里F(年代)是在弯曲和瞬时反作用力年代弯曲位移。

3所示。机械性能的竹子在三点弯曲试验

3.1。结构分析

节间的长度和直径的变化规律以及竹子的生长方向如图所示3,这说明竹子节点出现在沿着茎变化区间。

根据竹子的节间的距离沿生长方向,节间的距离显示了一个正态分布。非线性拟合回归后,这些数据可以被描述为(4),这说明了两端的节点数量大于中间,竹子的一部分。

竹子的直径,如图3,直径大约线性下降的方向增长,它也可以描述的数学模型(5通过数据拟合)。这些事实表明,竹是一个多变的锥形管状结构。 在哪里x是竹子的数量节点,y₁节间的距离,y₂是竹子的直径。

3.2。三点弯曲试验

样品与奇数节点,节点上的硬度计压头压,硬度计压头压在中间两个节点的样品与偶数个节点。内跨调整,总是至少有两个节点在中央部分的样本。

图4显示了竹子的失效模式弯曲载荷下的样品。竹加载失败的时候,它几乎没有通过分割沿着它的长度。这是由于纤维结构,使材料更强比横向纵向方向的方向,然后分割成4块。在这个时候,承载力下降迅速,直到压缩完成。当负载被弯曲试验后,样品可以恢复一点距离,这表明,竹具有良好的弹性和韧性。竹子的伤害主要是脆性破坏,它几乎不会产生碎片散落。

一个重要的全球屈曲模式观察图4:一个截面压区和一些裂缝。随后局部裂纹导致减少横截面积,这是与当地裂缝后的承载力下降发生在一个小挠度。

3.3。一个节点的存在对弯曲的影响和能量吸收

实验force-deflection曲线和最终的准静态三点弯曲条件下破碎模式NS和INS的人物5和6。结果表明,这些曲线有显著差异取决于破碎的模式。这两条曲线有几个峰值点(PF1, PF2 PF3, PF4),和样品的力量是线性的弹性加载阶段的开始。

在随后的加载阶段,当曲线到达峰值Force1 (PF1),两个裂缝发生的方向平行于硬度计压头由于压缩的脆性断裂行为,就像这四个“1/4裂缝”图6(一)。图中的两个“1/4裂缝”6 (b)在INS传播,导致破损。然而,由于节点的存在在NS,纤维厚和偏离他们的纵向方向,如图7,这两个“1/4裂缝”图6 (c)出现在两个枢轴点首先,导致图力增加缓慢5和煤粉NS没有完全打破。

当曲线到达峰值Force2 (PF2), INS的裂缝出现在示例在另两个“1/4裂缝”的竹子,和整个煤粉完全爆发,导致快速下降。然而,竹子墙裂缝附近的竹子在NS节点,这也导致了快速下降负荷图5。

在随后的加载阶段,当力到达峰值Force3 (PF3),剩下的两个“1/4裂缝”也出现在NS,和裂缝传播在整个样本直接由于竹子已经被打破。

最终,过去Force4峰值(PF4),以下的弯曲弹性变形阶段,和弯曲力又开始慢慢地爬上高原,由于这样的事实,这两种竹子样品已经完全被分为四块。由于INS的纤维方向是一致的,曲线下降平稳。竹纤维的节点越来越厚,从而导致上升力。然后“1/8裂缝”出现在NS, NS最终破裂。

正如所预期的那样,更多的裂缝沿茎,像“1/8裂缝”图6(一)由于竹子,观察在NS节点。因此,多个裂缝形成的,而不是一个穿透裂纹,从而导致承载力高于INS。

图5表明NS的力量有四个峰值点(PF1 / PF2 / PF3 / PF4),而INS只有两个峰值点(PF1 / PF2)。样品的能量吸收是在压缩过程中整合力量。根据图8,NS(1个节点)是56.7%高于INS(0节点)对能量的吸收。此外,NS是关于特定的能量吸收高31.4%和78.8%对弯曲强度比英寸高。同时,根据裂缝图6,断裂模式和裂纹两个样品的数量是不同的。INS只有3裂缝,第三个破解不完全分离,而NS 4裂缝,这完全峰。额外的裂缝可能的结果的连接节点,造成额外的破坏点,然后提高了抗弯强度和能量吸收特性。这表明该节点的antibending能力参与完整的煤粉被肿胀的地方组织实施竹节点。

3.4。的节点数量对弯曲的影响和能量吸收

根据上述分析,竹节点的存在增强了径向克制力竹墙和限制裂缝的扩展,以提高抗弯强度和能量吸收能力。

图8显示样品的吸收能量和弯曲的特性与不同节点和不同地区的竹子。上面的样品,他们的大节间的距离。因此,节点偏离了装载点是如此难以摧毁,吸收更多的能量,导致最大的弯曲强度11.1 MPa。随着节点数的增加,样品的长度和质量有更大的提高和特定的能量吸收逐渐减少。由于节点的结构紧凑,这是接近固体结构、弯曲强度逐渐增加。至于中间的样品,他们有更大的节间的距离和墙厚度。更多的节点和大质量的下降引起特定的能量吸收。此外,由于小节间的距离,弯曲强度越来越大。下部的茎,节间的距离小,大型壁厚度和质量。与节点的数量的增加,特定的能量吸收减少,而弯曲强度越来越大,因为短节间的距离。

根据图8竹子的每个部分,有一个明确的趋势表明,竹样本的节点数量达到更高更稳定的横截面弯曲过程中。例如,在竹子的下方,如图8,竹节点提供了煤粉与横向支承力的塑性变形传播向相邻的部分。和更多的节点可以提高抗弯强度却降低特定的能量吸收。

NS和INS之间的定量比较表明,竹antibending和能量吸收能力的样本可以显著提高了竹子的节点。此外,很明显,竹节点的数量和结构尺寸参数显著影响antibending和能量吸收能力,这意味着antibending和能量吸收能力与竹子的数量增加。例如,D4达到了3.3和1.8倍更高的抗弯强度和能量吸收,分别比D1。

4所示。仿生设计与分析

4.1。仿生缓冲梁设计

以上三点弯曲试验结果证明,竹的弯曲和能量吸收能力是影响节点结构。薄壁金属梁作为结构组件广泛应用在各种工程领域,特别是在移动车辆,如汽车、船只和飞机。因此他们意外撞击下的性能或加载事件感兴趣的研究者对乘员安全注意事项。特别是,保险杠梁是主要的能量吸收组件car-pole影响。在这样的事故场景中,该组件吸收动能在弯曲崩溃。同时,作为重要的组件在车辆碰撞、弯曲强度和缓冲梁的能量吸收特性尤为重要。目前,它是指出,在大多数情况下,缓冲能量吸收器系统主要是设计一些复合材料和正常结构的高能量吸收能力(12,13,26,27];然而,在能量吸收器的仿生设计,还有一些研究。例如,邹et al。28)设计了一种仿生管1仿生节点和3组成的仿生内胎与18岁,9岁和4仿生元素在每个内胎。数值结果表明,仿生设计提高了管子的特定的能量吸收。

基于上述研究弯曲之间的关系和能量吸收性能和结构参数的竹子,竹子节点多变的直径在弯曲的过程中发挥重要作用和能量吸收。启发的竹子的节点和节点膜片提高竹子的横向强度,提出了一系列的保险杠梁改善下的能量吸收特性的仿生设计的原则。

图9仿生缓冲梁的设计理念,以及仿生肋骨是由竹子模拟节点,起的作用加强保险杠像竹子的强度节点。

为Bionic1保险杠梁,梁由四个面板。这些面板位于前/后和顶部/底部形成梁rectangle-shaped概要文件。前后板之间的距离变化根据竹径的变化规律(1)。两边的距离越来越大的中间部分,逐渐增加D2 D1,如图10 ()和10 (b)和表2。

正因为如此,在轴承腔结构有困难大负载和吸收更高的能源,和竹子节点可以提高竹子的弯曲性能。因此,的基础上Bionic1保险杠梁,Bionic2保险杠梁设计横断面尺寸相同的强化仿生肋解决问题的低强度和结构的利用率。这些肋骨分布沿茎竹节点。相邻的两根肋骨之间的距离确定的模型(2)。与此同时,一个Bionic2S仿生的设计,厚度T1肋薄比吗Bionic2。的顶视图和尺寸参数Bionic1和Bionic2如图10 ()和10 (b)和表2。的设计仿生肋,如图(11日),竹子的截面视图节点显示,有一个内部和外部的山脊在节点。由工程治疗,一个简化的仿生加劲肋设计根据竹节点的结构,它包含一个加劲肋肋和内槽连接到面板,如图11 (b)。

作为比较,一种没有肋骨的保险杠,命名正常的也调查作为参考保险杠梁,如图10 ()和10 (b)和表2。

由于巨大的变化在力学性能出现在竹子的竹节点,内部膜片的结构起着重要的作用在机械性能的竹子。由工程处理,结合微观结构在图7,两种仿生保险杠的设计Bionic3和Bionic4保险杠横梁,如图10 (c)。这两个保险杠横梁设计,强化了加劲肋板结构的节点采用提高弯曲强度的区域。的Bionic3保险杠梁有一个面板和一个垂直加劲肋板,虽然Bionic4保险杠梁有双面板由垂直加劲肋板连接。

图12显示了竹子的半径大小参数节点截面视图和内部倒角附近的角落节点。计算后,根据结构参数,内倒角的范围是8-32 mm,可指导内部倒角图的设计11 (b)和R1和R2的内部结构Bionic3和Bionic4保险杠梁图10 (b)。这些保险杠横梁的详细尺寸参数如表所示2。

4.2。数值分析

目前,汽车工业处理各种各样的事故情况。各种各样的事故使他们需要考虑在组基本相似。最大的事故,比例约为60%,发生在前面的车辆,这些,极是事故的情况常见影响道路,他们也会导致死亡的最高部分(29日]。在这篇文章中,这5种保险杠横梁被有限元软件模拟下杆的影响。缓冲梁完全固定在地面上的两个点,和一个刚性柱的直径254毫米崩溃缓冲梁在一定的速度。碰撞图如图13。

保险杠横梁的有限元模型是使用有限元软件”Hypermesh”,通过LS-DYNA解决。梁是建模的Belytschko薄壳元素,列是一个刚性墙。模拟刚性柱和梁之间的联系,“自动表面表面”接触静态和动态摩擦系数为0.3和0.2,分别定义。一个“自动单面”被定义为接触光束本身的破碎。Stiffness-based沙漏控制来避免伪零能变形模式,和减少集成用于避免体积锁定。刚性柱影响梁在10 m / s的速度与质量的1000公斤。

梁的有限元模型和材料参数如表所示3。在有限元建模过程中,保险杠梁使用一种弹塑性材料本构模型(即建模。,材料模型在LS-DYNA 24)。rate-dependent效应被忽视的不敏感性铝合金的应变率相对较低。

4.3。结果与讨论

5保险杠的变形模式和应力模式极影响如图14。他们有不同的变形样式。为正常的保险杠,由于空心结构,折叠,一个“V”的形状出现在中间的影响。和位于后方的压力主要是平面和中间破碎点;至于Bionic1保险杠,前后公寓之间的距离短;因此,折叠的角度规模大但面积很小,和压力主要是位于两个枢轴点和中等破碎点;由于仿生肋结构的存在Bionic2 / Bionic2S保险杠梁,梁的强度越来越强大和肋骨可以使光束更稳定。折叠几乎符合刚性影响点列,和整个梁的应力分布均匀。

的保险杠横梁Bionic3和Bionic4主要是由平面和径向板块;因此,主要的变形是平的撕裂和径向盘子。的Bionic3有一个完美的折叠,配件完全刚性的列,这得益于平前板,很容易适应。后径向盘的过程中发挥着重要作用破碎根据应力分布;因为Bionic4低双板和肋角,折叠得多紧,压力分布均匀。

根据仿生和正常的保险杠的变形和应力分布,利用结构在粉碎由于低的空心结构正常的和Bionic1保险杠。然而,Bionic2保险杠的仿生肋骨,使其变形复杂和困难。为Bionic3和Bionic4保险杠横梁、主变形是撕裂。因此,仿生保险杠的变形和应力分布比正常的保险杠梁。

图15显示了力与位移的曲线5保险杠。表4有详细的弯曲和五个保险杠的能量吸收特性。在破碎的距离200 mm,力曲线上升到初始峰值力首先然后下降时,保险杠被打破了。最后,再次力增加弯曲和撕裂。

力的曲线正常的保险杠是稳定的,它是按照变形;Bionic1有相同的变化范围正常的,他们之间的区别很小,而的力量Bionic1保险杠比低正常的保险杠在双方紧密的结构,由于结构的大小Bionic1在双方减少,质量更小。因此,大海的Bionic1保险杠比高正常的保险杠11.3% 7.3%,但低于b。为Bionic2,仿生肋力增加很多,这是更高的比正常的和Bionic1。的特点Bionic2是高于正常的12.3% BS, EA为36.9%和31.4%。此外,Bionic2是高于Bionic126.6% BS、EA为38.3%和22.5%,表明仿生肋骨有很大影响缓冲梁的属性。至于Bionic2S保险杠梁的弯曲强度和能量吸收是略低于那些的Bionic2保险杠梁。然而,的质量Bionic2S保险杠梁比低Bionic2和正常的保险杠横梁,轻量级的效果。

初始峰值力Bionic3等于的Bionic2,但是它有很多大的波动,而后者往往是锯齿状曲线的一部分,表明已满足变形结构。的特点Bionic3是高于正常的11.5% BS, EA为9.3%和21.4%。然而,Bionic4力和初始峰值力最高。的特点Bionic4是高于正常的74.6% BS、EA为94.8%和56.2%,但质量是其中最大的一个。最重要的是,它可以得出结论,仿生保险杠性能是最好的Bionic2S减少4.9%的质量。和Bionic2SBS缓冲梁提高了12.3%,36.9%为EA,海比为31.4%正常的保险杠梁。

上述结果表明,仿生方法的防撞性能改善梁结构在一定条件下;然而,仿生结构仍有一些限制,例如,材料相对简单,结构相对复杂。进一步的研究和有限元分析应该由耦合不同材料或拓扑优化。

5。结论

这项工作研究竹茎中的节点的力学作用下弯曲负荷。进行三点弯曲试验试图确定节点的影响煤粉弯曲强度和能量吸收。这是得出的结论是,目前的工作的结果表明,节点的形态学特征,内部隔膜,和外部增厚的煤粉中扮演重要角色的机械性能竹子。

实验结果表明,该节点增加支承面积,可以解释为试图加强生物基本特征。此外,超细纤维竹出现厚和迁移。样本的特征与样品没有节点的节点是高于56.7% EA, 31.4%, 78.8%,弯曲强度。与节点的数量的增加,弯曲强度越来越大但大海是越来越低。

竹子的失效模式主要是断裂弯曲力。此外,竹节点的存在会阻碍节间的裂纹的传播来弥补薄弱的缺陷opening-mode沿层间断裂韧性。

基于上述调查,一系列的仿生保险杠设计仿生设计的原则。经过有限元分析,模拟结果表明,仿生保险杠的性能优于正常的保险杠关于弯曲强度,能量吸收和是轻量级的。的Bionic2S具有最好的性能。的特点Bionic2S是高于正常的EA弯曲强度为12.3%,36.9%,31.4%,海,这仍需要进一步的优化。此外,有一个质量相比减少了4.9%正常的保险杠梁。上述研究可以为防撞性结构的设计提供参考和依据。

数据可用性

我们已经提交我们的手稿中使用的原始数据和其他补充日期如附件所示。其他研究人员可以访问的数据支持这项研究的结论。(1)数据的性质是图像的源数据摘要;(2)提交的数据可以访问系统或通过电子邮件iansongjiafeng@163.com;(3)没有限制数据访问。

的利益冲突

没有报告的作者潜在的利益冲突。

确认

我们要感谢中国国家自然科学基金(批准号。51305159和51305159)和国家重点实验室的科学基金汽车安全和能源(批准号KF11211]的金融支持。

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