基于啄木鸟头部减振机理的多层抗冲击结构研究

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对于高精度电子元件、设备等在受到冲击时,如果防护不当,有可能因受到冲击而损坏。为解决冲击与振动现象带来的诸多负面影响,满足冲击防护的高要求,通过对啄木鸟头部减振机理进行深入研究,研制一种高效的抗冲击结构。啄木鸟啄击时在5cm的加速行程内可以产生1000g以上的冲击加速度,大脑却没有受到伤害,受啄木鸟启发,设计了一种基于啄木鸟头部减振机理的抗冲击结构。将啄木鸟的生物减振特性运用到本系统中,同时利用材料的吸能特性,提出了一种新型的多方向性的多层抗冲击结构。并对抗冲击结构的影响因素进行分析,通过仿真和实验,验证了抗冲击结构的抗冲击性能,主要内容包括:(1)首先查阅相关文献,总结国内外抗冲击技术的研究现状,在此基础上提出将仿生学原理与抗冲击技术相结合的研究目的和意义。(2)从结构、材料等各方面详细讲解了啄木鸟头部抗冲击的减振机理,在此基础上总结了本论文所参照的啄木鸟头部四层减振系统,通过等效代替的方法,寻找合适的材料,实现抗冲击结构的设计,提出了仿生抗冲击结构的整体方案,通过SolidWorks绘制三维模型。(3)在啄木鸟的头部因为结构和材料的不均匀,会对应力波的传递产生影响,考虑到本设计中涉及到不同材料的层合结构是否也会对应力波的传播产生影响,根据应力波传递理论,首先利用Ls-Dyna讨论应力波在单一介质的传播规律以及不同材料对应力波传播的影响,其次讨论在层合结构间的应力波传播规律和耗散特性。(4)二氧化硅颗粒作为模拟啄木鸟的颅骨和脑脊液的耗能特性的材料,通过理论分析颗粒耗能的机理,利用PFC3D软件分析颗粒粒径以及填充率对颗粒耗能的影响规律,并通过实验进行验证。(5)试制了多层抗冲击结构样机,搭建了样机性能测试实验平台并进行了冲击测试实验,分析了层合板的材料、厚度、二氧化硅颗粒的粒径以及填充率对仿生结构抗冲击性能的影响。通过实验结果验证了多层抗冲击结构的高效性。
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