仿山羊蹄匣孔结构的减振单元设计及优化

材料。国内外诸多学者在减振器的设计与改进方面进行了大量研究工作[5-6]。美国的Walsh [7]、日本的Nagaya[8]和澳大利亚的Hill [9]各自设计出一种变刚度减振器，通过不同的刚度调节方式实施减振。国内学者高强等[10]研制出新型变质量动力减振器，胡海岩等[11]提出一种刚度分段线性变化的动力减振器，均取得较好的减振效果。吕宏卿则以啄木鸟头和马腿为仿生原型，进行了仿生减振装置设计[12]，提供了新的减振思路。隔振材料通常会选用合适的弹性材料及阻尼材料，如橡胶材料、聚合体、空气弹簧、钢丝绳和金属丝网等[13-16]，进行能量的缓冲、吸收和消耗[17]。

山羊在崎岖路面及陡峭山坡上具有卓越的步行能力，能够适应各种复杂环境，其足部作为与地面接触的重要部位，会瞬时承受很大的外部激励[18]，需要有效缓解外部激励载荷。山羊在岩石和崎岖地面跑跳过程中会产生较大冲击力，由此产生的冲击波将进入肢体，在运动剧烈的情况下可能导致肢体或身体损伤。作为与地面直接接触的山羊蹄，为了吸收冲击能量、减小冲击强度，足部首先进行关节部位的屈伸运动和软组织的变形，减小地面冲击力带来的振动影响。

受山羊生存环境及运动模式的启发，本文首先假设山羊蹄部具有特殊结构，针对这一假设进行观测验证，在成功提取山羊蹄匣切片孔结构后，进行仿生减振单元设计，并应用自主搭建的减振性能测试系统，对仿生减振单元和无孔对比样件进行减振性能测试，最后应用回归分析方法进行数据处理，优化出减振效果最优的仿生减振单元，为机械领域和汽车行驶的减振问题提供一种可用于减振器改进的仿生结构。

1山羊蹄匣孔结构观测及提取

山羊蹄中央为骨骼，外围包络有蹄匣，真皮、趾枕和神经等位于骨骼与蹄匣之间。蹄匣为角质壳体，上端与皮肤相接，较为柔软，下端直接与地面接触，坚硬但有韧性。图1为山羊蹄匣内外表面实物图。

图1山羊蹄匣图

Fig.1Goat capsula ungulae

采用Stereo Discovery V12体视显微镜（德国，Carl Zeiss）和JSM-5500LV扫描电子显微镜（日本，JEOL），对山羊蹄匣着地部位进行切片观测，得到山羊蹄匣切片体视显微镜照片（如图2所示）和山羊蹄匣切片扫描电子显微镜照片（如图3所示）。

第2期田为军，等： 仿山羊蹄匣孔结构的减振单元设计及优化振 动 工 程 学 报第31卷将蹄匣包络骨骼一侧定义为内侧，接触地面一侧定义为外侧，由图2，3可知，蹄匣内侧存在孔状结构。山羊蹄匣切片长度约为14 mm，高度约为4.6 mm，带有孔状结构部分高度约为1.5 mm，孔状结构近似为圆柱形，轴向与软枕内侧存在一定倾斜角，孔分布较为均匀，孔径约为55～158 μm，孔间距约为141～297 μm，孔倾斜角约为55°。

图2山羊蹄匣切片体视显微镜照片

Fig.2Stereomicroscope image of goat capsula ungulae slice

圖3山羊蹄匣切片扫描电子显微镜照片

Fig.3SEM image of goat capsula ungulae slice

2仿生减振单元设计及制备

考虑到加工方法对结构设计的限制，在进行仿生减振单元设计时，对显微镜下观察到的山羊蹄匣局部孔状结构进行放大处理。应用建模软件SolidWorks绘制仿蹄匣孔结构减振单元，以下统称仿生减振单元，如图4所示。仿生减振单元长×宽×高设计尺寸为24 mm×24 mm×8 mm，均布9个圆柱孔，孔径为5 mm，孔距为8 mm。设计孔轴向与单元水平方向夹角即孔倾斜的角度z3分别为30°，45°和60°。

图4仿生减振单元三维设计图

Fig.43D design drawing of bionic vibration reduction structure

采用浇铸成型方法制备仿生减振单元。浇铸所用模具采用3D打印。模具绘制由CATIA软件完成，导出格式为STL。图5为仿生减振单元浇铸模具实物图。模具分为60°，45°，30°和无孔4组，每组由边框、模体和上盖3部分构成。4组模具除模体不同外，其余两部分完全相同。

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