仿生分形夹芯板芯体结构吸能特性研究
Study on energy absorption characteristics of biomimetic fractal sandwich plate core structure
- 机械强度 2025年47卷第10期 页码：124-130
- 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：
于地，男，1989年生，吉林长春人，硕士，实验师；主要研究方向为机械电子工程；E-mail：292287091@qq.com。
- 基金信息：国家自然科学基金项目(52475019;52075217)
DOI：DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.10.014
中图分类号：收稿：2025-04-02，
纸质出版：2025-10-15
- 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
r
、分叉角度
θ
、分形阶数
D
）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
r
bifurcation angle
θ
fractal order
D
). 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
references
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