Study on energy absorption characteristics of biomimetic fractal sandwich plate core structure

YU Di; WANG Zhaoyang; LIU Yansong; ZOU Meng

doi:DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.10.014

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Study on energy absorption characteristics of biomimetic fractal sandwich plate core structure

·Experimental Research·Testing Technology· | 更新时间：2025-10-31

- Study on energy absorption characteristics of biomimetic fractal sandwich plate core structure
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 10, Pages: 124-130(2025)
- 作者机构：
  
  1.长春光华学院机械工程学院，长春 130033
  2.吉林大学生物与农业工程学院，长春 130022
- 作者简介：
  
  WANG Zhaoyang, E-mail: 1570594674@qq.com
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52475019;52075217)
- DOI：DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.10.014
  CLC：
- Received：02 April 2025，
  
  Published：15 October 2025
- 稿件说明：
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于地，王兆阳，刘岩松，等. 仿生分形夹芯板芯体结构吸能特性研究［J］. 机械强度，2025，47（10）：124-130.

YU Di，WANG Zhaoyang，LIU Yansong，et al. Study on energy absorption characteristics of biomimetic fractal sandwich plate core structure［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（10）：124-130.
于地，王兆阳，刘岩松，等. 仿生分形夹芯板芯体结构吸能特性研究［J］. 机械强度，2025，47（10）：124-130. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.10.014.

YU Di，WANG Zhaoyang，LIU Yansong，et al. Study on energy absorption characteristics of biomimetic fractal sandwich plate core structure［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（10）：124-130. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.10.014.

摘要

为提高传统夹芯板的能量吸收效率，受王莲叶脉树状分形结构启发，设计了一种仿生树状分形夹芯板芯体（Biomimetic Tree-Like Fractal Core

BTLFC）。首先，通过准静态压缩试验，发现二阶BTLFC的比吸能较传统蜂窝芯体提升了5.69%，平均压溃力提升了4.46%。其次，建立了BTLFC的有限元数值模型，结合准静态压缩试验数据，表明有限元模型误差在2.2%以内，证明了有限元模型具有较高的准确性。最后，采用拉丁超立方试验设计、Kriging代理模型及第二代非支配排序遗传算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ

NSGA-Ⅱ）对BTLFC的结构参数组合（尺寸比

、分叉角度

、分形阶数

）进行了多目标优化设计。优化后BTLFC的最优结构展现了更优异的综合性能，其比吸能较传统蜂窝芯体提升了10.19%，峰值压溃力降低了12.27%，质量减小了11.79%。研究结果可为开发高性能能量吸收结构提供新的仿生设计思路。

Abstract

To enhance the energy absorption efficiency of conventional sandwich panels

a biomimetic tree-like fractal core (BTLFC) inspired by the dendritic fractal structure of the royal lotus leaf vein was designed. Firstly

quasi-static compression tests revealed th

at the 2-order BTLFC exhibited a specific energy absorption 5.69% higher and an average load 4.46% greater than traditional honeycomb cores. Secondly

a finite element numerical model of the BTLFC was established; combined with quasi-static compression test data

the finite element model error was within 2.2%

demonstrating high accuracy of the model. Finally

Latin hypercube test design

Kriging surrogate model

and the non-dominated sorting genetic algorithm-II (NSGA-II) were employed to perform multi-objective optimization on the structural parameter combinations of the BTLFC (size ratio

bifurcation angle

fractal order

). The optimized BTLFC structure exhibited superior comprehensive performance

with specific energy absorption increased by 10.19%

peak crushing force reduced by 12.27%

and mass decreased by 11.79% compared to traditional honeycomb cores. The findings provide novel biomimetic design insights for developing high-performance energy absorption structures.

关键词

Keywords

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