仿羽状肌蜂窝结构的力学性能与吸能特性研究

摘要

为满足防护装备对能量吸收与力学性能的需求，受人体羽状肌结构形态的启发，基于结构仿生原理设计了一种仿生羽状肌蜂窝结构（pennate muscle-inspired honeycomb structure, PM-HS）。采用3D打印技术制备结构样件，并结合准静态压缩试验与有限元仿真，对所提出的PM-HS模型进行验证与性能分析。通过设计7种结构参数的PM-HS模型，系统探讨了几何参数变化对其等效力学性能与吸能特性的影响。研究结果表明，在所设计的7种结构中，PM-HS-D具有最优的综合性能，其等效应力（241.01 MPa）与应变值（0.19）较低，应力分布更加均匀；在吸能性能方面，PM-HS-D吸收的能量（E）达到3 611.64 mJ,单位质量比吸能（S_m）和单位体积比吸能（S_v）分别为206.34 mJ/g和231.10 mJ/cm³,均显著优于其他结构。上述结果表明，PM-HS-D在承载能力与能量吸收性能方面表现出明显优势，经过进一步优化后，可作为特定防护场景下的潜在优选材料。

关键词

仿生羽状肌结构 / 蜂窝结构 / 有限元仿真 / 力学性能 / 吸能性能

基金资助

国家自然科学基金资助项目(No.52071150)