具有优异承载和抗冲击吸能性能 的 新型 轻质 复合材料 结构 对于 不同领域
的 工程应用是至关重要的。 自然界中 天然生物材料凭借巧妙的宏 微观构型 搭配
使 材料 结构整体表现出非凡的 承载性能和 抵抗外物冲击的能力，为设计 新型结
构 提供了灵感。 理解并掌握生物材料的 宏 微观构型 之间 相互作用 的 机理， 可以为 不同行业 关键部件 的结构 设计 、 优化 和 性能 提升 等提供仿生范例。 本文 基于关键部件 在实际服役工况下的性能需求，针对性地 借鉴 生物材料 的 宏观和微观结构特征 结合 3D 打印 技术 创新设计并制备了多种承载和抗冲击性能出众的仿生结构 。 通过准静态力学性能测试、摆锤冲击实验和仿真模拟等手段，对比了新型仿生结构与传统 结构 在力学性能 方面 的提升， 探讨 了 结构 设计对 整体 力学性能提升的机理， 为新型 复合材料 结构 的创新设计提供参考。 论文 的主要 工作 和结论概述 如下：
（1 非充气轮胎凭借着传统充气轮胎所不具备的防扎、防爆优势，在民用、
军事和重工业领域展现出广阔的应用前景。目前较为成熟的 Tweel 轮胎竖向承载
能力弱于蜂窝轮胎，研究者们创新设计的 Kuc 、网状辐条和矩形网格等新结构轮
胎的竖向承载能力提升有限 以及 新型结构轮胎 的 高速滚动特性关注较少 。 第二章 在 Tweel 轮胎板式辐条基础上，增加周向元约束，设计了 Tweel 2 轮胎；借鉴螳螂虾前肢内柔性马鞍结构变形吸能以及承压过程中应力分布均匀的优势，引入双曲抛物面结构形式，仿生设计一种全新的马鞍结构轮胎。 通过 3D 打印技术 、压缩实验 、准静态和动态仿真模拟 ，研究了蜂窝、 Tweel 、 Tweel 2 和马鞍轮胎的静态 承载 性能 和滚动特性 。 借鉴多孔结构承载性能评价指标 以及 轮胎 动态滚动过程中的 最大 Mises 应力、 胎面 最大接触压力、竖向载荷和竖向变形稳定性等参数对比了四组结构轮胎 在 竖向承载 、 变形吸能 和 动态滚动 性能 方面 的差异。 结果表明， Tweel 2 相较于 Tweel 轮胎在屈服强度、平台应力和吸收能量方面均提高了40% 以上， 外胎面 的 最大接触压力降低 了 50% 马鞍轮胎的屈服强度、平台应力和吸收能量约为蜂窝结构 轮胎 的 2.4 倍，甚至达到了 Tweel 轮胎的 4 倍以上且在不同速度滚动 过程中 其 竖向承载和竖向变形稳定性 均远高于其他非充气轮胎 。（2 为解决 传统防护 装甲 结构简单， 材料笨重、建造成本高、 吸能效果较低的状况 第 三 章 借鉴 珍珠母和海螺壳等 的 砖 泥微结构、竹子和鹿角等的梯度胞元微结构、 甲壳虫壳 连接界面的 细观 联锁结构 等特征 设计了梯度联锁和双向联锁砖 泥结构， 提升材料 整体 抵抗外物冲击的能力 。 利用 3D 打印技术制备了不同构型的仿生砖 泥结构 试样 并进行 摆锤冲击实验 结果表明 胞元尺寸梯度越大，梯度联锁砖 泥结构吸能越高；胞元内联锁区域的椭圆单元数量越少，双向新型仿生结构设计及静动态力学性能分析
II 联锁砖
联锁砖--泥结构吸能越高。两种新型联锁砖泥结构吸能越高。两种新型联锁砖--泥结构在冲击过程中泥结构在冲击过程中吸收的能量吸收的能量最高最高可达均匀珍珠母砖可达均匀珍珠母砖--泥结构的泥结构的6.26.2倍和倍和2.52.5倍。有限元倍。有限元模拟结果表明，模拟结果表明，梯度联锁设梯度联锁设计可显著改善冲击区域计可显著改善冲击区域的的应力分布，应力分布，有效避免了有效避免了局部局部区区域的域的应力应力水平过高水平过高，，延缓延缓结构失效进程，结构失效进程，从而使从而使整体结构整体结构在在断断裂前裂前发生发生更大的弯曲变形更大的弯曲变形；；双向联锁设计可双向联锁设计可增加断裂区域裂纹数量和偏折增加断裂区域裂纹数量和偏折程度程度，进而提升能量耗散。，进而提升能量耗散。（33）传统薄壁吸能装置的截面构型单一，传统薄壁吸能装置的截面构型单一，实际服役过程中实际服役过程中难以难以满足吸能高满足吸能高效、压溃变形方式规则可控的要求效、压溃变形方式规则可控的要求，且外部，且外部冲击冲击荷载荷载的的方向往往是不确定的方向往往是不确定的。。因因此此，传统薄壁吸能装置传统薄壁吸能装置对对不同角度下的不同角度下的耐撞性能均提出了更高的要求。耐撞性能均提出了更高的要求。第第四四章章借借鉴鉴天然天然刺猬刺刺猬刺的横纵截面的横纵截面构型特征，设计了隔板刺猬刺薄壁结构，结合构型特征，设计了隔板刺猬刺薄壁结构，结合3D3D金属金属打印、准静态压缩试验和有限元打印、准静态压缩试验和有限元冲击冲击模拟，研究了轴向和斜向冲击压缩模拟，研究了轴向和斜向冲击压缩过程中过程中薄薄壁结构的力学行为。结果表明，轴向冲击壁结构的力学行为。结果表明，轴向冲击下下，隔板刺猬刺薄壁结构吸能比分别，隔板刺猬刺薄壁结构吸能比分别达达到单壁圆筒、蜘蛛网和简化刺猬刺薄壁结构的到单壁圆筒、蜘蛛网和简化刺猬刺薄壁结构的4.04.0、2.22.2和和1.31.3倍倍；斜向冲击斜向冲击，吸吸能比能比最高分别达到其他三种结构的最高分别达到其他三种结构的4.14.1、1.91.9和和1.51.5倍。同时，隔板刺猬刺薄壁结隔板刺猬刺薄壁结构的平均破碎载荷得到大幅提升，进而获得较高且稳定的破碎载荷效率。有限元构的平均破碎载荷得到大幅提升，进而获得较高且稳定的破碎载荷效率。有限元结果表明，不同于其他三种结构的变形失效模式，隔板刺猬刺薄壁结构结果表明，不同于其他三种结构的变形失效模式，隔板刺猬刺薄壁结构轴向冲击轴向冲击下的横向膨胀更均匀，斜向冲击下发生整体屈曲变形，冲击过程中下的横向膨胀更均匀，斜向冲击下发生整体屈曲变形，冲击过程中更多材料参与更多材料参与变形并储存更多能量，从而显著提升轴向和斜向轴向和斜向耐撞性能。
（44）随着随着车辆机动化的快速发展，由车辆机动化的快速发展，由冲击冲击事故事故导致导致头部损伤头部损伤的的发生发生率率不断不断提升，对开发轻质、高强度和高抗冲击吸能性能对开发轻质、高强度和高抗冲击吸能性能的的头部防护头部防护装置装置提出了更高的要提出了更高的要求。第五章结合榴莲外壳锥刺结构，通过几何参数优化，设计设计出出了双向交错四棱了双向交错四棱锥锥台台结构衬垫结构衬垫，并与与文献中文献中经典经典的蜂窝结构和梯度点阵的蜂窝结构和梯度点阵结构衬垫进行抗冲击性能结构衬垫进行抗冲击性能对比。仿真结果表明仿真结果表明，双向交错四棱锥台台胞元设计，增强了相邻胞元间的筒壁约束，使得冲击过程中衬垫结构发生变形的衬垫结构发生变形的区域更大，参与变形变形和和储能储能的材料更多，从而大幅提升从而大幅提升新型仿生结构衬垫的新型仿生结构衬垫的吸能性能吸能性能，最终最终双向交错四棱锥双向交错四棱锥台台结构头盔结构头盔的的吸能比分别达到蜂窝和梯度点阵结构头盔的吸能比分别达到蜂窝和梯度点阵结构头盔的11.3倍和倍和2.7倍。本文针对性地完成了四种新型仿生抗冲击结构的设计、实验、仿真及机理分结构的设计、实验、仿真及机理分析工作，研究成果可以为工程中的实际应用提供参考，为未来的仿生结构设计提析工作，