Page 201 - 《爆炸与冲击》2026年第6期

第 46 卷 闫凯波，等： 基于机器学习的新型多胞梯度结构设计与优化 第 6 期

hexagonal tube (CMHT), the enhancements are 7%, 7%, 8%, and 33% respectively, while the initial peak crushing force (F max )
is decreased by 18%. These results fully demonstrate its superior energy absorption performance. Subsequently, the geometric
parameters of the ribs and outer tube were selected as design variables. A total of 540 sample sets were generated via full
factorial experimental design, and a support vector machine (SVM) surrogate model was constructed. Combined with the
crested porcupine optimization (CPO) algorithm, model optimization was completed to achieve the accurate prediction of the
crashworthiness indicators for CMGHT. Finally, the multi-objective coati optimization algorithm (MOCOA) was adopted for
multi-objective optimization to obtain the optimal combination of characteristic parameters. The optimization results show that
compared with the CMGHT basic model without parameter optimization (the parameters are initially set based on the common
range of engineering: rib thickness of 1 mm, rib amplitude of 3 mm, outer tube gradient thickness of 0.5 mm-1 mm-1.5 mm,
F is
sa
outer tube length of 33.3 mm), the E of the optimized structure is increased by 22%, the η is increased by 53%, and the
increased by 270%, which further verifies the effectiveness of the design method.
Keywords: multi-cell gradient structures; finite element simulation; machine learning; multi-objective optimization

近年来，随着工程结构抗冲击需求的提升，能量吸收能力与结构轻量化间的矛盾日益凸显，兼具优
异力学性能的轻质结构研究迅速成为热点 。为提升能量吸收性能，研究者们提出了多种不同构型的能
[1]
量吸收结构，如柱状结构 、夹层结构 、板状结构 [4] 以及多边形结构 [5] 等。早期广泛使用的传统圆管、
[3]
[2]
方管及多边形管因其构型简单、易于加工和成本较低等优势，常被用作能量吸收装置。然而，这些结构
内部空间未能得到充分利用，限制了其在冲击荷载下的能量吸收能力。因此，研究人员尝试在简单管状
结构中增设肋板，以充分利用其内部吸能空间。特别是部分薄壁结构借鉴了生物体的形态特征，以及多
[6]
孔材料中具有规则排布的微观与细观结构特点 ，发展出一类外部为薄壁、内部由相互连接的肋板构成
的结构形式，称为薄壁多胞结构。大量对比研究表明，薄壁多胞结构具有更高的比吸能和更稳定的碰撞
[7]
响应 。Tang 等 [8] 基于圆柱在吸能方面优于方柱的现象，提出了一种由同心圆柱组成、并通过径向腹板
连接的新型多胞柱结构。Khanchehzar 等 [9] 通过准静态横向压缩试验，研究了内置 26 根肋板的铝方管在
压溃过程中加强肋对其能量吸收性能的影响。Jin 等 [10] 则通过准静态轴向压缩试验，对比分析了多边形
薄壁多胞结构的能量吸收行为与变形模式。
相关研究表明，增大多边形管的等效承载边长可显著提升其抗冲击性能。为此，在传统薄壁结构中
引入波纹特征已成为研究热点。选择适配的波纹类型与几何参数，能有效拓展多边形管的结构受力边
界，进而改善其抗冲击性能。目前，波纹结构已形成多样化形式，涵盖波纹管、凹面管、折叠管、槽纹管、
波纹蜂窝结构及波纹芯夹层板等。从设计维度看，波纹的引入为结构优化提供了更丰富的调控空间，可
通过参数调整实现性能定制。尽管波纹结构能有效提升吸收能量，但其制造复杂度相较于传统结构更
高。不过，随着 3D 打印等先进制造技术的发展，这一局限性已逐步得到缓解，为波纹结构的工程应用奠
定了基础。其中，正弦曲线与余弦曲线因参数可控性强，成为优选波纹形式——通过拓扑修改可灵活调
整凹凸角、振幅及公称直径；同时，凹面结构的所有切点可约束于同一圆周，进一步简化夹层波纹管的设
计与优化过程。已有学者围绕该方向开展研究，Deng 等 [11] 以正弦波纹为基础，提出一种具有正弦横截
面的新型周向波纹管，其横截面轮廓可通过改变振幅、基准公称直径及波纹数量实现调控，研究证实相
同条件与尺寸下，薄壁正弦波纹管的性能显著优于普通圆柱；Li 等 [12] 则针对具有余弦轮廓的周向波纹方
管展开吸能特性研究，数值结果显示，与相同质量的传统方管相比，周向波纹方管提升了 51.62%，与相同
壁厚的传统方管相比，该指标提升了 69.24%。
增大多边形管的等效承载边长虽能提升吸收能量，但会伴随初始峰值压缩力升高的问题，这一矛盾
成为制约结构耐撞性能优化的关键。为解决该难题，在薄壁结构中引入梯度设计方法成为有效路径——
该设计不仅能实现结构轻量化，还可显著降初始峰值压缩力，进而实现吸能性能的综合提升。梯度设计
的研究已逐步深入，并取得系列进展。Baykasoglu 等 [13] 通过数值模拟，系统探究了梯度壁厚对圆形铝管
轴向挤压吸能特性的影响，为梯度设计的应用提供了基础数据。Xu 等 [14] 针对壁厚沿纵向呈线性变化的
圆形管开展实验研究，深入分析其轴向挤压与弯曲失稳模式，明确阐述了梯度壁厚设计在性能优化中的
优势。在此基础上，Xu 等 [15] 进一步拓展研究边界，构建多目标优化框架，成功实现圆形管最优壁厚分布

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