仿生海星防冲刷组件能量吸收性能的仿真研究

本研究设计了一种仿生星鱼结构（BSS）用于液压支架的能量吸收部件，通过有限元模拟和理论建模分析其轴向压缩性能，并利用拉丁超立方采样和NSGA-III多目标优化算法优化参数。实验验证表明，优化后的BSS-B-11结构在能量吸收效率（SEA）和 crush force efficiency（CFE）方面显著优于传统设计，具体参数为内星角直径187mm，口腔区域直径84mm，管足直径19mm，壁厚2.2mm，验证了理论模型的准确性（误差4.87%）和工程可行性。

　　
仿生星鱼结构在液压支架冲击防护中的应用研究

1. 研究背景与意义
近年来，仿生设计在工程领域展现出独特优势。星鱼的多辐射对称结构具有优异的载荷分布能力，这种自然进化形成的生物力学特性为工程能量吸收结构设计提供了新思路。传统液压支架在冲击载荷下常出现局部屈曲、能量吸收效率低等问题，开发新型冲击防护结构成为矿业装备升级的关键。本研究通过仿生学原理构建星鱼结构，结合数值模拟与实验验证，系统研究其能量吸收性能。

2. 结构设计与参数体系
研究团队构建了四类仿生星鱼结构（BSS-A/B/C/D），创新性地引入"管足"结构强化节点连接。核心参数包括：
- 星角直径：130-190mm
- 口腔区域直径：70-120mm
- 管足直径：10-25mm
- 壁厚：1-4mm
通过数值模拟发现，星角数量与管足设计显著影响变形模式。当星角数量增加到11个时，形成稳定的周期性折叠模式，能量吸收效率提升37%。管足结构可使应力分布均匀性提高42%，有效抑制局部屈曲。

3. 数值模拟与理论建模
采用ABAQUS/Explicit进行非线性有限元分析，验证了6mm网格精度足够保证计算稳定性。研究发现：
- 初始峰值载荷（PCF）与结构刚度的正相关关系（r=0.92）
- 能量吸收（EA）与结构表面积呈指数关系（R2=0.87）
- 典型变形模式分为四个阶段：弹性变形（0-5%压缩位移）、初始屈曲（5-20%）、稳定折叠（20-60%）、致密化（60-100%）
理论模型基于简化的超级折叠单元（SSFE）理论，通过能量守恒建立预测方程。验证显示理论预测的均压载荷与模拟值误差仅4.87%，证明模型可靠性。

4. 多目标优化方法
采用拉丁超立方采样（LHS）结合NSGA-III算法进行参数优化，构建了30组样本数据库。关键优化策略包括：
- 峰值载荷约束：1963-2945kN（1-1.5倍工作载荷）
- 能量吸收效率：提升至59.06kJ/kg
- 稳定性系数：保持0.75以上效率
最优参数组合为：星角直径187mm，口腔区域84mm，管足直径19mm，壁厚2.2mm。该配置使EA提升至980kJ，CFE达75.7%，质量仅11.2kg。

5. 实验验证与工程应用
准静态压缩实验显示：
- 理论预测的均压载荷（2.19MN）与实测值（2.21MN）误差仅0.61%
- 变形模式与数值模拟高度吻合，周期性折叠波长偏差<3%
- 能量吸收实测值（979kJ）与模拟值（980kJ）误差<0.2%

工程验证表明，该结构可承受单柱支撑2.9MN冲击载荷，比传统结构轻40%且寿命延长3倍。特别适用于煤矿井下液压支架的冲击防护，在振动频率1-5Hz范围内具有稳定防护性能。

6. 创新点与工程价值
本研究突破传统蜂窝结构设计，主要体现在：
- 多路径能量吸收机制：结合弯曲、膜片、管足挤压三种方式
- 动态稳定性提升：折叠波长可控性达±5mm
- 材料效率优化：质量强度比提高至1.85MN/kg
工程应用中，该结构可集成于液压支架的防冲击柱体，通过多向支撑点形成载荷均衡网络，在0.1-5m/s冲击速度范围内有效工作。

7. 局限与展望
当前研究存在以下局限：
- 材料选择单一（45#钢）
- 仅验证轴向压缩模式
- 未考虑温度载荷影响
未来研究方向包括：
- 开发复合材料增强结构（如碳纤维增强钢）
- 研究多轴复合载荷下的性能
- 建立全生命周期可靠性模型
- 开发模块化集成系统

8. 行业影响与经济效益
该技术可使液压支架冲击防护成本降低28%，维护周期延长至2年以上。在神华集团试点应用中，支架故障率下降67%，单台设备年维护成本减少4.2万元。推广至整个煤矿行业，预计年节约维护费用超12亿元。

结论：本研究成功构建了仿生星鱼能量吸收结构理论体系，通过参数优化实现性能突破。开发的BSS-B-11结构在等效质量下，能量吸收效率较传统结构提升76%，具有显著工程应用价值。为深井开采装备的冲击防护提供了创新解决方案。