基于秸秆微观多孔结构的仿生蜂窝能量吸收结构优化设计与性能研究

《Frontiers in Materials》：Biomimetic study on honeycomb energy absorption structure based on straw micro-porous structure

本综述聚焦仿生蜂窝结构在能量吸收领域的前沿进展，系统总结了以高粱和芦苇秸秆微观多孔结构为仿生原型，对传统六边形蜂窝结构进行的仿生优化设计、仿真分析与实验验证。研究揭示了组合蜂窝结构（HTPC-3）的优越性，其比吸能（SEA）较传统结构提升22.82%，为轻量化抗冲击结构设计提供了新范式。

　　

引言

能量吸收装置在汽车、船舶、飞机和铁路列车等领域广泛应用，是分散碰撞等紧急情况下冲击动能的关键部件。金属薄壁管是目前应用最广泛的吸能元件，具有可控失效模式和相对稳定的压缩载荷特性。然而，随着轻量化需求增加和安全要求提高，金属薄壁管的能量吸收性能优化面临理论和技术的挑战。蜂窝结构在轻量化方面表现优异，而受自然界多种生物结构启发的仿生结构，其能量吸收能力相比传统结构有显著提升。

仿生蜂窝结构设计

本研究选取自然界中具有优异力学性能的高粱（实心结构）和芦苇（空心结构）秸秆作为仿生原型。通过扫描电子显微镜（SEM）观察其微观结构，发现秸秆节点处的多孔结构、外皮组织的纤维束分布等特征具有特殊的力学稳定性。基于这些特征，提出了六类共22种仿生蜂窝结构设计方案。

细胞边缘仿生设计：根据芦苇秸秆节点处晶胞边界类似正弦曲线的形态特征，将正弦曲线应用于六边形薄壁结构和蜂窝结构的边缘线，设计了仿生波纹结构（如HTBC、HHTBC等）。

蜂窝细胞复合结构设计：基于芦苇节点处五边形和圆形复合连接的特殊结构，提出了三种仿生复合细胞蜂窝结构（HTPC-1、HTPC-2、HTPC-3）。

蜂窝细胞加劲肋设计：根据芦苇茎杆壁的规则八角形结构，设计了八角形蜂窝单元及其加劲肋结构（OHT、OHTBR）。

自相似仿生设计：基于高粱秸秆维管束的分层自相似特征，设计了两级自相似薄壁和蜂窝结构（HST、HSHT）。

细胞仿生多孔设计：根据高粱秸秆纵向纤维结构中的小孔分布特征，提出了仿生多孔结构（CT、CTBH、CHT、CHTBH）。

细胞梯度仿生设计：基于秸秆细胞结构和细胞壁厚度的梯度变化趋势，提出了径向变壁厚仿生蜂窝结构（HBVT-257、HUT/HBVT-555、HBVT-752）。

有限元分析

采用非线性有限元软件LS-DYNA进行仿真分析，材料为AA6061-T6铝合金。通过计算能量吸收（EA）、比吸能（SEA）和压碎力效率（CFE）等指标评估结构的耐撞性。结果表明，组合蜂窝结构HTPC-1和HTPC-3、自相似结构HSHT以及梯度结构HBVT-257的性能优于传统六边形蜂窝结构（HHT）。其中，HTPC-3、HSHT和HBVT-257的能量吸收分别提高了41.06%、17.84%和83.59%，比吸能分别提高了39.98%、17.24%和26.61%。

实验研究

采用金属3D打印技术（EOSINT M280）制备了部分仿生蜂窝结构样品，并进行轴向压缩实验。由于加工精度和材料限制，实验中出现材料断裂现象，与仿真结果存在差异。通过计算变形初期（30%变形区间）的能量吸收特性，发现组合蜂窝结构HTPC-3的性能最优，其比吸能比传统蜂窝结构（HBVT-555）提高了22.82%。

结论

本研究基于秸秆微观多孔结构特征，系统提出了六类仿生蜂窝结构优化设计方案。仿真和实验结果表明，组合蜂窝结构（HTPC-3）、自相似蜂窝结构（HSHT）和径向梯度变壁厚蜂窝结构（HBVT-257）具有优异的能量吸收性能。其中，HTPC-3结构在实验中表现最佳，为轻量化高效吸能结构的设计提供了新的思路和参考。