受柚子启发设计的薄壁管的能量吸收性能，用于实现可持续的轻量化设计

《Journal of Cleaner Production》：Energy absorption performance of pomelo-inspired thin-walled tubes for sustainable lightweight design

薄壁多瓣能量吸收管（PITEAT）通过生物启发结构优化，在保证高能量吸收效率（SEA提升60%）和可控峰值力的同时，采用单一材料标准成型工艺降低碳排放（减少35-60%）并实现90%以上金属回收率。

　　

辛正|王波|徐平|何嘉兴|姚树光

教育部轨道交通安全重点实验室，中南大学交通与运输工程学院，长沙，410075，中国

摘要

受碳达峰和碳中和目标以及清洁生产原则的驱动，运输车辆的耐撞性结构需要在高能量吸收、轻量化设计和可回收性之间取得平衡。简单结构可以提供基本的能量吸收能力，但性能有限；而复杂的多材料或薄壁配置虽然可以显著提高耐撞性，但会增加制造能耗并降低可回收性。为了解决这个问题，本研究提出了一种受柚子启发的多瓣薄壁能量吸收管（PITEAT）。花瓣截面使用傅里叶函数进行参数化，并研究了外径与高度比、端部曲率、傅里叶系数C₁/C₂和花瓣数量对能量吸收的影响。通过材料拉伸试验校准了本构模型，并建立了有限元模型，并通过轴向压缩实验进行了验证。结果表明，适当调整几何参数可以显著提高比能量吸收率和压碎力效率；当C₁ = 0.10、C₂ = ?0.10且花瓣数量为八时，与相同几何形状的圆形管相比，PITEAT在保持可控峰值力的同时，比能量吸收率提高了60%，压碎力效率达到了80%。生命周期评估（LCA）表明，对于吸收11.24 kJ能量的功能单元，PITEAT相比传统的圆形管和泡沫填充管可减少35–60%的CO₂排放，同时金属的可回收率超过90%。PITEAT可以使用标准成型工艺从常规结构钢制造，实现高能量吸收、可控的峰值力以及减少的环境负担，为运输车辆的轻量化碰撞保护提供了一种优化的设计方法。

引言

在全球“双碳”战略和绿色发展理念的推动下，交通运输行业正在加速转型，低碳、环保的设计已成为结构工程的核心目标。作为全球能源消耗和CO₂排放的主要来源，交通运输行业约占全球能源相关CO₂排放总量的24%（Zhang等人，2024a）。因此，交通运输设备的设计面临着双重挑战：一方面，结构必须轻量化以减少能源消耗和碳排放；另一方面，它们必须在有限的安装空间内提供高效稳定的能量吸收能力，以确保车辆在碰撞和其他极端条件下的安全（Sandrini等人，2023；Chu等人，2019）。轻量化设计能有效降低能源使用和排放，是实现绿色和低碳交通的关键途径（Mistry等人，2021；Raugei等人，2014）。在汽车、高速列车和飞机中，由于其出色的能量耗散能力（Abedi等人，2012；Acanfora等人，2023；KULEY?N等人，2024）、高比强度（Ren等人，2024；Qi-Hua等人，2023）和低成本（He等人，2024），薄壁能量吸收结构已成为关键的安全组件。然而，传统的薄壁能量吸收结构仍然存在诸如不可控的屈曲、有限的比能量吸收（SEA）和过高的刚度等问题，这使得在复杂操作条件下难以协调实现多个目标（Abramowicz，2003；Bisagni，2002）。

为了提高能量吸收性能，研究人员提出了各种结构优化策略，包括材料填充、多单元集成和非圆形截面（Woelke等人，2012；Hong等人，2014；Yuen和Nurick，2008）。例如，与空心管相比，CFRP蜂窝填充的薄壁管在轴向压缩下的能量吸收效率可以提高约41%（Sun等人，2016）；十二边形星形截面的比能量吸收（SEA）比六边形管高出约18.3%（Fan等人，2013）；随机多单元、分段多单元和嵌套多单元等配置也实现了超过30%的性能提升（Abdullahi和Gao，2020）。尽管这些设计在机械性能上取得了显著进步，但从清洁生产和循环经济的角度来看仍存在明显限制：一方面，像CFRP这样的复合材料的能耗远高于传统钢材，且使用后的回收难度较大（Sunter等人，2015）；另一方面，复杂的多单元结构通常依赖于多种焊接工艺和精密加工，导致制造能耗增加和缺陷率上升，这阻碍了可扩展性和绿色制造。因此，在交通运输设备结构的背景下，实现性能、材料效率、可制造性和环境友好性的全面优化——同时确保保护功能——已成为一个亟待解决的问题。

近年来，受生物启发的能量吸收结构因其潜在的平衡安全性和可持续性目标的能力而受到广泛关注，但对其生命周期环境影响的深入评估揭示了令人担忧的权衡（Huang等人，2016）。以性能为导向的设计确实实现了显著的耐撞性改进——例如，San等人提出的波纹圆形管（CCT）（San Ha等人，2018）将峰值力降低了97%，而受竹子启发的（Liu等人，2023）和马尾草衍生的配置（Niu等人，2023）显著提高了比能量吸收——然而往往是以环境为代价的：多件组装需要耗能的焊接或粘合，复合填充材料虽然具有优异的碰撞性能，但由于材料分离成本高而几乎不可回收（Li等人，2016），而增材制造的复杂几何形状的生产能耗明显高于传统成型部件（Ingarao等人，2018）。从安全和可持续性的角度来看，当前的变形控制策略仍然不足：即使使用多目标优化和受生物启发的几何形状来定制折叠模式，非轴向冲击下的坍塌模式也难以稳定，这削弱了乘员保护并导致难以高质量回收的广泛塑性损伤（Karantza等人，2023）。因此，当前的生物启发研究面临三个主要挑战：结构与材料复杂性和可持续性之间的矛盾、性能驱动优化与清洁生产之间的冲突，以及耐撞性要求与循环经济目标之间的紧张关系。关键的研究缺口在于如何使用单一材料和简单的制造工艺实现有效的生物启发能量吸收，同时保持良好的可回收性和整体可持续性，这对于开发真正可持续的耐撞性运输结构至关重要。

尽管受生物启发的能量吸收结构取得了显著进展，但仍有一些瓶颈阻碍了其在绿色交通中的应用，包括不可控的折叠模式、高制造能耗和复杂配置的大生命周期碳排放，以及轻量化设计与能量吸收之间的协调优化不足。基于柚子的渐进式能量耗散机制（Yang等人，2022），并从其分层的“壳-肋-芯”能量吸收和自然冲击中的延迟坍塌机制中获得灵感，本研究提出了一种受花瓣启发的薄壁管（PITEAT），并在工程设计范围内建立了参数化的设计和评估框架。通过将结构性能与关键几何尺度和一组形状参数相关联，该研究阐明了通过对称多铰链形成来控制分布式塑性耗散的机制，实现了比能量吸收增加、可控峰值力和稳定载荷平台的协同效应。这样，在保持可回收性和环境友好特性的同时，获得了足够的能量吸收，为绿色交通提供了一种兼顾轻量化设计、高能量吸收、低碳制造和循环利用的耐撞性结构解决方案。

部分摘录

受生物启发的轻量化设计方法

受生物启发的设计通常遵循“自然原型识别→特征抽象→参数化建模”的系统工作流程，旨在将自然界经过数百万年演化出的高效材料利用策略转化为面向清洁生产的工程结构设计（Yu等人，2025）。如图1所示，在给定的几何形状和材料约束下，壳-芯结构可以实现轴向渐进式坍塌和周向

柚子的结构特性

在自然演化过程中，柚子发展出了典型的多层、分段结构，具有出色的冲击缓冲和能量耗散能力。如图2所示，其截面结构由外层厚壳、中央核心和多个径向分段的花瓣组成。壳层在冲击时吸收初始能量并抑制早期结构屈曲，而花瓣通过延迟响应和局部

理论分析

PITEAT凭借其几何形状和材料特性，能够在冲击载荷下有效吸收和耗散能量，从而减少对关键部件或乘员的冲击力。在理论分析中，傅里叶级数是一种强大的工具，可以准确描述复杂的几何形状，如波浪形外缘。通过适当设置和优化结构几何参数，可以实现对能量吸收和机械性能的全面调节

结果与讨论

为了研究几何参数对PITEAT轴向压缩性能的影响，使用有限元方法对参数进行了敏感性分析，如外径与高度比$\frac{r_{bot}}{h}$, r_b, r_t, 傅里叶系数C₁, C₂和花瓣数量，评估它们对能量吸收能力和变形模式的影响。重点关注SEA、PCF、CFE和MCF等指标的变化模式。通过识别变形模式，

与其他薄壁能量吸收管的比较

为了进一步研究PITEAT的能量吸收性能，将其仿真结果与其他各种蜂窝和生物启发结构进行了比较，如图所示。这些结构包括圆形蜂窝管（CCT）（Zhang和Zhang，2014）、马尾草仿生结构（HBS）（Xiao等人，2016）、圆形多单元管（CMT（Chen等人，2019）、分形多单元圆形管（FMCT）（San等人，2023）和圆形变分分形蜂窝管（CVFCT）（Liu等人，2023）

结论

本研究提出了一种受花瓣启发的薄壁能量吸收管（PITEAT），成功地将耐撞性与清洁生产和循环经济原则相结合。通过傅里叶建模、有限元分析和实验验证，证明了PITEAT可以使用单一材料和制造工艺实现高效能量吸收，避免了与复合材料和能耗高的增材制造相关的环境负担。

CRediT作者贡献声明

何嘉兴：可视化、验证、形式分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2021YFB3703801）、湖南省自然科学基金（编号：2021JJ30853）和湖南省科技领军人才计划（编号：2019RS3018）的财政支持。对此表示衷心的感谢。