建大新闻网讯 近日，我校力学技术研究院孙博华院士研究团队在仿生结构力学方面取得重要进展。研究成果分别以“Numerical analysis of low-speed impact response of sandwich panels with bio-inspired diagonal-enhanced square honeycomb core（仿生对角增强方形蜂窝夹芯板低速冲击响应的数值分析）”为题发表在力学领域国际权威期刊International Journal of Impact Engineering (2022年影响因子：4.592，SCI一区，TOP期刊)；以“Optimization of a lattice structure inspired by glass sponge（玻璃海绵启发的点阵结构优化）”为题发表在仿生与工程领域著名期刊Bioinspiration & Biomimetic (2022年影响因子：2.985，SCI二区)；以“Study on Functional Mechanical Performance of Array Structures Inspired by Cuttlebone（受墨鱼骨启发的阵列结构力学性能分析）”为题发表在仿生与工程领域著名期刊Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials (2022年影响因子：4.042，SCI二区)；以“Bioinspiration: Pull-Out Mechanical Properties of the Jigsaw Connection of Diabolical Ironclad Beetle’s Elytra（恶魔铁锭甲虫鞘翅拼图连接在拉拔过程的力学性能分析）”为题发表在力学领域期刊Acta Mechanica Solida Sinica (2022年影响因子：2.187，SCI三区)。
论文的第一作者分别是土木学院2019级博士研究生李权威、2020级硕士研究生吴凡、2020级硕士研究生魏杰。孙博华院士为通讯作者，西安建筑科技大学为唯一完成单位。
仿生结构的研究一直是结构与材料领域的热点方向。亿万年来演化出的生物特性推动了该领域的多学科交叉研究。随着人类社会进步和现代工业发展，人们不仅需要超高“比刚度”和“比强度”的材料，也需要“超薄超细超长超轻”的高性能结构。如何在工程中实现对材料和结构性能的这些极端要求，是科学技术上的巨大挑战。
作者李权威对“阿氏偕老同穴”的结构进行了细致的有限元研究，受到其结构的启发，经过优化设计，利用了“粗短抗压”的力学原理，在结构质量不变的情况下，巧妙地利用多目标优化的方法，得到了多项性能都超越玻璃海绵的构型，实现了多荷载条件下对海绵结构的超越。在玻璃海绵启发的点阵结构优化研究的基础上，设计了仿生对角增强方形蜂窝芯（BSHC），将BSHC用于夹芯板，提出了一种高精度的夹层板低速冲击有限元数值计算模型，分析了不同芯材夹层板的低速冲击响应。进行理论分析，说明了BSHC的能量吸收机制。此外，利用能量平衡模型预测了HHC夹芯板和两种BSHC夹芯板的峰值载荷和接触能量。
墨鱼作为软体动物，在深海几千米的环境下得以生存，有着特殊的骨质内壳结构。这引发了学者们极大的研究兴趣，自上世纪80年代起便不断地有学者对其进行了探索。作者吴凡参考了至今对墨鱼骨结构研究进展，进一步提出了受墨鱼骨启发的波纹阵列结构，且对正弦与椭圆波纹阵列结构进行设计、理论分析与参数分析。研究结果显示：适当改进高度、周期、厚度及振幅等结构参数可以有效提升正弦波纹阵列结构的力学性能。并进一步提出了椭圆形波纹阵列结构，研究结果表明椭圆波纹截面的曲率大小会改变结构的变形模式从而影响承载力。且改进后的波纹阵列结构的压应力、y方向的剪切应力以及x方向的剪切应力分别增加了14.2%，32.8%和14.9%。其压缩应变能，y方向的剪切应变能以及x方向的剪切应变能分别增加了22.8%，33.0%和78.1%。该工作可为设计新型仿生多孔结构材料，理解与分析波纹阵列结构的力学性能等提供研究思路与理论参考。
生活在北美洲西部的铁锭甲虫，具有极强的抗压能力而闻名，它能够承受自身体重的3.9万倍的压力下存活。铁锭甲虫结构提供了科学灵感，启发我们可以通过仿生方式对材料和结构的极端要求。作者魏杰参考铁锭甲虫特有的拼图连接方式对开发构件新的连接方式，结构型材料具有重要的意义。文章通过建立理论分析模型，与实验及有限元模拟结果对比验证。考虑了数量、角度和几何特征等因素对于拼图连接力学性能的影响。研究结果表明：在保持相同接触面积和相同尺寸的情况下，增加一定的连接拼图单元的数量有利于提高抗拉拔力学性能。在改变连接角度的情况下，增加拼图单元间的连接角度可以提高力学性能，但在35°达到峰值后下降。对于不同长短半径，增大长短半径的比率可以提高拼图单元连接的力学性能，在2.2：1达到峰值后下降。参考仿生连接结构的优化设计，对于开发新的结构连接方式具有重要意义。
文章链接:
doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2022.104430
doi.org/10.1088/1748-3190/ac9fb2
doi.org/10.1016/j.jmbbm.2022.105459
doi.org/10.1007/s10338-022-00368-7
媒体报道：
力学人：西安建大孙博华教授团队 玻璃海绵启发的点阵结构优化及低速冲击响应
mp.weixin.qq.com/s/NjKvgk5jC_0ROw5HK52vFQ
力学人：西建大孙博华教授团队：受墨鱼骨启发的阵列结构力学性能
mp.weixin.qq.com/s/0F81yK87YIeTCaKwmBjQkQ
