复合材料科学与工程

袁帅, 张冬冬, 段金辉, 高一峰, 张芸强, 莫昌金

2025, 0(3): 1-6. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.001

摘要 ( 21 )

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为了实现纤维复合材料轻量化应急人行桥的现场快速拼装与构筑,本文基于复合材料预紧力齿连接和金属管螺纹设计了一种拼装式复合材料圆管接头,开展了两种具有不同局部构造接头的四点弯曲试验,对比和分析了破坏模式和极限承载力等力学行为。结果表明:拼装式复合材料圆管接头具有快速拼装构造特点和较高弯曲承载能力,适用于复合材料管梁构型应急人行桥。当拼装式圆管接头承受弯曲荷载时,若预紧力齿连接的金属外套不设置倒角,会造成复合材料管局部横向剪切破坏及初始损伤,随之造成纤维在管体上侧压缩和下侧拉伸下提前纵向破断,相邻复合材料管体发生典型的弯曲分层破坏。但当开设倒角时,异质材料管体相应交界处未发生明显的复合材料管体局部横向剪切破坏,呈现出典型的复合材料管弯曲破坏特征。与预紧力齿连接承受轴向荷载情况不同,受弯曲荷载时,需对其金属外套端部倒角进行优化设计,不仅可有效地改善拼装式复合材料圆管接头的破坏模式,而且可使接头弯曲承载力提升约15%。

拓扑优化体心立方结构平压性能研究

孙思远, 盛亚鹏, 段玥晨, 齐佳旗

2025, 0(3): 7-14. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.002

摘要 ( 20 )

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为了增强体心立方(BCC)结构平压吸能性能,采用周期边界条件和ESO拓扑优化方法,对BCC结构的周期性单胞进行了优化设计,发现拓扑优化BCC单胞的等效平压模量远优于传统BCC单胞等效平压模量。通过ABAQUS软件建立了由单胞组成的4×4拓扑优化芯子结构平压模型,对芯子进行了平压试验,将两者结果对照,证明了仿真模型的可行性。对比分析了传统结构和拓扑优化结构在平压载荷下的吸能指标,发现优化后的模型峰值力提升了79.2%,有效吸能量提升了48.5%,单位体积比吸能、单位质量比吸能提升了47.8%。基于BCC单胞的拓扑优化,使BCC单胞的等效平压模量得到较大提升的同时,也使BCC芯子结构在平压载荷下的吸能指标有更好表现。

面向周期性的变刚度层合板轨迹规划及屈曲特性

丁潇潇, 曹忠亮

2025, 0(3): 15-21. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.003

摘要 ( 17 )

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为提高复合材料层合结构的承载能力,对层合板的压缩屈曲性能进行了研究。首先,为提高线性函数轨迹的可设计性,本文结合三角函数曲线的特点提出新型周期线性纤维轨迹函数数学模型;其次,利用Python/ABAQUS进行复合材料层合板二次开发建模;最后,对经典定刚度和新型变刚度层合板进行屈曲对比分析,揭示了变刚度层合板屈曲性能对曲线轨迹始末角和周期参数的响应机制。结果表明,变角度轨迹的T₀和T₁取值范围为[30°,60°]时,其一阶屈曲载荷明显高于经典定刚度层合板一阶屈曲载荷,较最优定刚度铺层屈曲载荷提高了21.41%,并且通过控制周期n的取值能进一步提高层合板的一阶屈曲载荷,从而提高稳定性。

高温作用后碳纤维布约束混凝土动态力学性能试验研究

张景丽, 康云健

2025, 0(3): 22-29. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.004

摘要 ( 19 )

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为探究高温及应变率作用对碳纤维布约束混凝土力学性能影响规律,利用马弗炉、伺服压力机及霍普金森压杆(SHPB)对不同温度(25 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃)作用后三种碳纤维布约束混凝土(素混凝土、高温下碳纤维布约束混凝土、纤维布约束高温混凝土)开展静、动态单轴压缩试验,分析高温、应变率及约束方式对试件峰值应力、动态增强因子(DIF)、韧性及破碎耗能密度影响规律。结果表明:静载作用下200 ℃、400 ℃、600 ℃作用后素混凝土峰值应力降幅为7.25%、19.05%、34.20%,0.5 MPa冲击气压作用下200 ℃、400 ℃、600 ℃作用后素混凝土峰值应力降幅为5.57%、14.66%、29.05%,三种混凝土试件峰值应力均随温度的升高而降低,且碳纤维布高温混凝土峰值应力>高温下碳纤维布混凝土应力>素混凝土应力。素混凝土、碳纤维布约束高温混凝土试件应变率增长因子始终高于温度增长因子,应变率对试件抗压强度影响高于温度影响;高温下碳纤维布混凝土试件温度增长因子始终高于应变率增长因子,高温作用对试件抗压强度影响度高于应变率影响。温度的升高使得三种混凝土试件韧性均降低,0.3 MPa冲击气压下,25 ℃时碳纤维布高温混凝土韧性是高温下碳纤维布混凝土、素混凝土韧性的1.02,2.62倍,600 ℃时为1.17,3.00倍,碳纤维布高温混凝土韧性>高温下碳纤维布混凝土韧性>素混凝土韧性,碳纤维布的约束效果极大增强了试件韧性。随着温度的升高,三种混凝土试件破碎耗能密度均不断降低,碳纤维布约束作用能够极大增强混凝土耗能效果,在高温作用后利用碳纤维布对混凝土进行维修加固,其吸能效果增幅更加显著。

蜂窝夹芯结构低速冲击后压-压疲劳性能研究

陈卫东, 姚凯飞, 王轩, 石强斌

2025, 0(3): 30-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.005

摘要 ( 17 )

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利用直径分别为25.4 mm、38.1 mm和50.8 mm的冲头对玻璃纤维平纹编织面板蜂窝夹芯结构进行1 mm凹坑深度的低速冲击,开展冲击后静态压缩和压-压疲劳试验,研究三种冲头直径下试件的剩余强度、条件疲劳极限、刚度退化、循环蠕变和破坏模式,揭示蜂窝夹芯结构低速冲击后压-压疲劳行为。结果表明:试件静态剩余强度随着冲头直径的增大而减小;当冲头直径为25.4 mm时,条件疲劳极限最大,为静态破环载荷的68.1%,当冲头直径为38.1 mm和50.8 mm时,条件疲劳极限约为静态破坏载荷的60%。循环刚度和循环蠕变均呈现“三阶段”的演变特征,在疲劳寿命期前10%,试件耗散能小幅减小,刚度在高周疲劳中增大,在低周疲劳中减小,循环蠕变现象显著;在疲劳寿命期90%之前,刚度大小稳定,循环蠕变现象有所减弱;在疲劳寿命期后10%,刚度减小,循环蠕变再次呈现显著的现象。试件的疲劳剩余强度分散性明显大于静态剩余强度分散性;试件在疲劳载荷下的破坏模式与在静态载荷下破坏模式相似。

不同温度下碳纤维复合材料-钢胶接界面黏结性能研究

刘伟, 杨继, 袁春辉, 夏旭, 张锦光

2025, 0(3): 39-45. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.006

摘要 ( 16 )

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本文针对RN136N/HN136N双组分胶黏剂研究了钢与碳纤维复合材料胶接连接在10~90 ℃下的力学特性,首先基于内聚力模型对界面力学行为进行了仿真分析,其次开展了不同温度下碳纤维复合材料-钢单搭接样件的拉伸剪切试验,研究了界面的破坏模式和极限承载力等。结果表明:样件的破坏模式与温度具有较大的相关性。样件在30 ℃时的极限承载力最高,其极限承载力与界面黏结刚度随温度的升高呈现先增大后减小的变化趋势。仿真的极限承载力与试验结果较为吻合。研究还发现在低应力状态下,接头整体应力分布较为均匀,在较高的应力水平下,接头的中部会承受较大的拉伸应力,两侧会承受较大的剪切应力。

单向玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料成型极限试验研究

亓昌, 武鹏程, 盈亮, 杨姝

2025, 0(3): 46-53. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.007

摘要 ( 17 )

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本研究探讨了单向玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料的成型极限,旨在为玻璃纤维增强树脂基复合材料层板的工艺设计和失效行为预测提供参考。首先,采用连续玻璃纤维增强聚酰胺6单向带,按照[0/90]₄的铺层方式,通过热模压制备厚度为1.80 mm的GFRP层板;其次,基于Nakajima成型极限试验,对比了钟形试样与改型缺口试样的失效形式;最后,确定了适用于GFRP层板成型极限研究的试样,并通过构建成型极限曲线表征了其成型性能。试验结果表明:随着试样宽度的增加,受力状态和变形模式由单轴拉伸向双轴拉伸转变;试样表现出三种典型的失效模式,包括纤维拉伸断裂、纤维拔出断裂以及弯曲剪切耦合断裂;试样呈现脆性断裂特征,且在断裂前未出现颈缩现象,需通过散点分布构建成型极限曲线;与传统钟形试样相比,缺口试样更适用于纤维增强复合材料的成型极限试验研究。

基于MAT_58模型的碳纤维增强复合材料仿真参数捕捉与验证

邱星瀚, 宋通, 张赛, 王付胜, 孟宪明, 陈亚军

2025, 0(3): 54-62. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.008

摘要 ( 14 )

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预测纤维增强复合材料层压板的失效行为在工程应用中具有重要价值。利用万能电子试验机、冲击试验机,对一种碳纤维增强复合材料层压板在LS-DYNA有限元分析软件中的*MAT_58模型材料参数进行捕捉和验证。结果表明:单单元测试明确了*MAT_58模型材料参数在本构模型中的物理意义;通过双边缺口拉伸试验结合Bazant裂纹带模型计算出四边形单元尺寸为2 mm时的等效失效应变ERODS为0.56;落锤冲击试验峰值力对ERODS高度敏感,试验与仿真力-位移曲线吻合良好,峰值力误差最小为5.22%,验证了ERODS参数捕捉的有效性;纤维方向强度对于落锤冲击过程中的力学响应行为影响最大,面内剪切强度影响次之,基体方向强度影响最小。

碳纤维/环氧树脂复合材料拉挤固化过程的数值模拟研究

冯京, 张鹏翔, 姜悦, 朱立平, 李爽, 席剑飞

2025, 0(3): 63-70. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.009

摘要 ( 29 )

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在复合材料拉挤成型过程中,其内部温度与树脂的固化速率的变化呈现出一组强耦合关系。根据复合材料固化过程的非稳态热传导和固化动力学理论建立二维模型,系统开展了不同拉挤工况对固化过程的影响研究。数值模拟结果表明,在相同条件下,增大树脂体积分数、提升壁面温度、适当提升拉挤速度均可以促进固化过程。相较于基准案例,当树脂体积分数增大为0.5、壁面温度提高到220 ℃、拉挤速度提升到0.9 m/min时,固化时间分别缩短了约25%、67%、47%。复合材料的有效热导率和固化反应动力学参数对材料的温度场和固化度场影响很大,主导着复合材料的拉挤固化过程。本文研究结果为优化拉挤工艺、确定合理的工艺参数提供了一定的理论依据。

碳纤维H形截面支撑环脱模工艺仿真及优化

刘佳鑫, 林再文, 邹志伟, 程显贺, 曹延君, 田涯

2025, 0(3): 71-78. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.010

摘要 ( 17 )

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针对碳纤维H形截面支撑环(H环)结构件在模压工艺成型的脱模过程中发生断裂破坏的问题,提出了工艺仿真方法,揭示了H环脱模过程中的破坏机理。该方法按照H环的工艺分区进行分块独立建模,分区之间通过胶接方式模拟。首先采用该方法分析了H环在初始脱模方案下各阶段的损伤状态,验证了本文方法的正确性和有效性,然后对H环脱模顺序进行优化,在确定新脱模方案后,后续使用该脱模方案生产的H环均顺利出模,并满足GJB 2895中B级质量要求,再次验证了该工艺仿真方法对模压工艺成型脱模预测的有效性和实用性。

3D打印连续碳纤维复合材料冷却模型及变形研究

董传贺, 孙晓宇, 李旺鑫, 贾睿昊, 赵欣

2025, 0(3): 79-86. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.011

摘要 ( 13 )

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为探究3D打印连续碳纤维复合材料(C-CFRP)动态冷却行为以及翘曲变形行为,本文首先针对3D打印C-CFRP复合材料丝,建立了考虑材料物性及打印参数的冷却模型,采用热电偶、热成像仪监测了不同打印参数下复合材料丝温度随时间的变化,并与冷却模型计算值进行了验证,误差最小为11%。然后针对3D打印C-CFRP薄片件,探究了不同打印参数及尺寸对翘曲的影响,并分别采用热电偶、三坐标测量仪进行了成型过程温度动态变化以及翘曲度的测试。结果表明:挤出丝材高于玻璃化转变温度的时间与打印温度、层厚呈正相关,与打印速度呈负相关;C-CFRP薄片件的翘曲度与层厚、长度呈正相关,与打印温度、打印速度呈负相关。本文研究为高精度C-CFRP的3D打印技术发展提供了参考。

不同孔径碳纤维三向织物复合材料增强混凝土轴压研究

孙婷婷, 张洪华, Muhammad Usman Ghani, 李炜

2025, 0(3): 87-95. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.012

摘要 ( 14 )

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选用三种规格的T300碳纤维制备三种不同孔径大小的三向织物(Triaxial Woven Fabric,TWF)树脂基复合材料对混凝土进行加固。使用3D-DIC技术获取三维位移场和应变场,直观反映试样表面织物的膨胀脱落和不同纱线应变扩展的演化过程。结果表明:碳纤维三向织物复合材料在压缩时,三向织物的孔径越小,约束效果越显著。与未约束的混凝土相比,TWF-24K的峰值载荷提高了38.7%,TWF-12K提高了41.2%,TWF-6K提高了49.9%。在孔隙率一定时,小孔径TWF更大程度地提升了混凝土的抗压强度和延性;TWF-6K试样的应变-时间曲线变化趋势更加一致,试样内部的应力分布更均匀。结合3D-DIC技术获取从加载到破坏整个时间序列的位移场和应变场演化规律,结果表明相比于TWF-12K和TWF-24K,TWF-6K经纬纱均提供了约束作用,均匀分担轴向压缩力和径向拉伸力,具有最好的约束效果。

夹心保温复合墙板GFRP-Y形拉结件受力性能研究

郭孟攀, 陈国新, 张轶琛, 刘健

2025, 0(3): 96-105. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.013

摘要 ( 21 )

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为研究夹心保温复合墙板GFRP拉结件的承载力和挠曲变形,以不同厚度的保温层为试验变量,开展了六组单根GFRP-Y形拉结件的抗剪试验及数值模拟,分析拉结件的破坏形态及荷载-位移曲线特征,基于两端固定超静定梁模型,提出了单根拉结件考虑保温层时的挠度简化计算公式。结果表明:夹心保温复合墙板在竖向荷载作用下的破坏形式均为拉结件断裂破坏,保温层厚度为90 mm试件的极限抗剪承载力相较于厚度为70 mm试件极限抗剪承载力减小了23.5%,此时内、外叶板相对位移增加了12.0%;保温层厚度从60 mm增加至100 mm,拉结件的极限抗剪承载力降低39.1%,挠度增加44.1%。研究结果可为夹心保温复合墙板外叶板的位移计算提供理论依据。

大型复合材料风电叶片吊装过程受力与失效分析

鲁晓锋, 刘宇轩, 翟佳琪, 张东坡, 孟鑫淼, 冯鹏

2025, 0(3): 106-114. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.014

摘要 ( 23 )

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为获得风电叶片蒙皮在柔性吊装工况中的力学响应,避免夹芯蒙皮因吊装应力集中而受损,开展足尺风电叶片单点柔性吊装测试,研究吊装过程中的位移变化和应变分布规律,获得吊装失效模式。基于试验结果对比分析节点约束加载和柔性吊带加载两种有限元模型的准确性,进一步开展参数分析,研究影响柔性吊装的关键因素。结果表明:单点柔性吊装失效区域为吊点附近,与实际吊装工况失效模式一致;节点约束加载和柔性吊带加载均能较为准确地预测整体位移分布,但节点约束加载时蒙皮应变分布与试验差异较大,柔性吊带加载的结果更为准确;参数分析结果表明,接触应力随接触面积的增加而显著减小,增加吊带宽度、弹性模量和界面粗糙度能够有效降低接触界面应力集中程度,而吊点高度对吊装应变和接触应力的影响不显著。

基于固化变形分析优化设计抛物面反射器模具

王富强, 牛雪娟

2025, 0(3): 115-120. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.015

摘要 ( 15 )

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针对固化成型中模具与结构件热膨胀系数不匹配导致的固化变形,采用真空导流工艺制备碳纤维织物增强复合材料模具并采用顺序热力耦合的分析方法,分析多种材质的模具对构件固化成型精度的影响。针对复合材料模具易变形的缺陷,借助HyperMesh软件设计模具肋板支撑结构并对肋板位置及厚度进行优化设计。研究结果表明:模具材质为复合材料时,模具构件热传导系数差异不明显,构件各处的温度分布较为均匀。相较于钢金属模具,模具材质为复合材料时,构件的位移变形量减少了30%,Z向位移减少了46%。对比无肋板支撑的复合材料模具,旋转抛物面的位移变形量减少了13%,Z向位移基本保持一致。

拉挤工字形复合绝缘子芯体工艺过程的热传递和固化模拟

路振华, 周松松, 周军, 杜怡君, 李鹏

2025, 0(3): 121-129. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.016

摘要 ( 9 )

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通过COMSOL软件对复合材料绝缘子芯体的拉挤工艺进行有限元模拟,本研究旨在调整和优化工艺参数,并为实际生产提供参考。将基体树脂的固化放热等效为内热源,对复合材料拉挤过程中的温度场和固化度场进行耦合,模拟芯体截面不同位置处的温度和固化度变化。通过模拟分析圆形和工字形截面芯体在相同工艺参数下的差异,重点考察了拉挤速度、模具温度和初始物料温度等参数对工字形芯体温度和固化度的影响。结果显示,与圆形截面芯体相比,工字形芯体显示出更小的温度梯度、更快的固化速率和更优异的固化度。有限元模拟为工字形芯体拉挤工艺参数提供理论参考,将模拟得到的最佳工艺参数应用于实际生产后,成功获得了致密均匀的环氧树脂基复合材料芯体,且实际生产结果与模拟结论一致。

SiC/SiO₂复合涂层对碳纤维及其复合材料抗氧化性能影响研究

闫海波, 陶佳栋, 周子涵, 黄志雄, 石敏先, 丁杰

2025, 0(3): 130-138. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.017

摘要 ( 21 )

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采用溶胶-凝胶法和先驱体浸渍裂解法在碳纤维表面制备了一种SiC/SiO₂复合涂层,并使用热压罐工艺制备了碳纤维增强酚醛树脂基复合材料,测试了复合材料在600 ℃、800 ℃、1 000 ℃下氧化后的弯曲强度,研究了涂层对碳纤维及其复合材料抗氧化性能的影响。结果表明:经过在1 000 ℃空气下的氧化,复合涂层碳纤维/酚醛树脂复合材料弯曲强度为60 MPa,是相同条件下的原始碳纤维/酚醛树脂复合材料弯曲强度的3.3倍,SiC/SiO₂涂层对碳纤维有较好的抗氧化效果且会使复合材料具备一定的弯曲强度。在SiC/SiO₂涂层的协同保护下,复合涂层碳纤维/酚醛树脂复合材料在氧乙炔火焰下表现出更好的耐烧蚀性能。

运营高铁无砟轨道高聚物注浆抬升材料研制及应用

倪国章

2025, 0(3): 139-146. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.018

摘要 ( 11 )

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高速铁路开通运营后,受列车长期动载作用和恶劣服役环境影响,部分地段出现了不同程度的不均匀沉降,严重影响线路平顺性及列车安全运行。鉴于运营高铁工程运维“不中断”行车和“天窗点”短时间作业特点,提出了无砟轨道“毫米级”高精度注浆抬升材料的性能指标,通过选取合适的注浆抬升材料合成原料,分析了聚醚多元醇、异氰酸酯、发泡剂、催化剂、泡沫稳定剂、浆液温度对材料性能的影响,研制了适用于运营高铁无砟轨道注浆修复的双组分聚氨酯类高聚物注浆抬升材料及配比,历经中试检测和模拟试验验证了材料的适用性,并成功应用于某城际铁路无砟轨道抬升修复工程。研究表明:H3006、ZS3035(复合聚醚多元醇)、去离子水(发泡剂)、A33、DBTDL(复合催化剂)、AK-8805(泡沫稳定剂)配比为30∶70∶0.6∶1.2∶1.6∶3.0时是高聚物注浆抬升材料A组分浆液的最佳配比,B组分浆液为等质量的PAPI(异氰酸酯);中试检测的注浆抬升材料各项性能指标均达到目标值,模拟试验的注浆抬升控制精度在1 mm以内,满足无砟轨道注浆抬升施工要求;注浆修复后线路线形平顺,逐级提速恢复常速并已正常运行多年,实践证明研制的高聚物注浆抬升材料可用于运营高铁无砟轨道不均匀沉降的注浆修复。

基于增材制造的仿生吸能结构研究现状与展望

楼航飞, 陈文刚, 张伟, 蔡心远, 龚金锭

2025, 0(3): 147-156. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250328.019

摘要 ( 21 )

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吸能结构在人类生活中的广泛应用带动了大量能量吸收特性的科学研究和前沿技术发展。大自然长时间的选择使一些动植物具有特殊结构,这些特殊结构给予设计者灵感,仿生吸能结构被大量地研究。在此过程中,增材制造技术由于具有灵活性强、能够制造复杂结构及利用增材制造材料等特点,成为解决轻量化和复杂结构需求的理想选择。然而现阶段科研人员对仿生吸能结构领域的综述性研究较为有限,系统性的总结也相对缺乏,导致对整个技术的发展现状及面临的问题理解不够深入。本文主要对仿生薄壁结构、仿生板结构、仿生细胞结构和仿生建筑结构所对应动植物的结构与性能进行了系统性的总结,阐述了增材制造技术在仿生吸能结构领域的研究现状,以期为未来各行业仿生吸能结构的发展提供一定参考。

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