薄壁吸能结构广泛应用于汽车、船舶、航空航天等工业领域,是碰撞过程中耗散冲击动能、缓冲吸能的主要构件。但其在设计过程中面临轻量化和高效吸能的矛盾。因此,设计并优化轻质且耐撞的薄壁吸能结构,引起国内外学者的广泛关注。研究基于工程仿生学原理和相似性理论对传统薄壁吸能结构进行优化改进,将仿生学与结构耐撞性设计相结合来提高吸能结构的耐撞吸能效率。研究选取自然界中具有优异耐撞性能的轻质管状填充材料牦牛角为生物原型,整角承载性试验结果表明:牦牛角最大承载力为11.8 kN,能够承受3~5次整角准静态压缩试验。并对牦牛角段状试样进行准静态压缩和落锤动态冲击试验,结果表明:底部、中部和顶部试样的总吸能分别为3.04 kJ、1.52 kJ和0.8 kJ,极限强度分别为76.97 MPa、65.73 MPa和56.02 MPa,抗压性能和吸能效率表现出从顶部到底部逐渐减小的梯度特征。牦牛角破坏模式呈现出一种自顶部到底部逐渐屈曲的变形模式。牦牛角的宏观结构分析表明,牦牛角是一种锥形管状填充结构,主要由角质外壳和骨芯两部分组成,SEM图像观察表明角质外壳是由无数个角蛋白薄片堆叠而成的层状结构,且角质外壳的壁厚自底部到顶部不是等量变化,有一定的梯度变化特征。牦牛角角蛋白层状分布的堆叠微观结构明显提升吸能效率和耐撞性。在分析牦牛角与锥形吸能管的相似性的基础上,根据牦牛角强度梯度变化和非均质角质外壳结构设计了一种由变壁厚锥形外壳和泡沫铝组成的仿生锥形管。建立仿生锥形管、圆管、方管以及普通锥形管四种薄壁结构的有限元分析模型,完成薄壁结构的轴向加载压缩仿真分析。在轴向压缩时,仿生锥形管呈现出一种自上到下逐级溃缩的稳定叠缩变形模式。仿生管的初始峰值载荷为51.3 kN,较方管和锥形管分别降低了22.4%、10.1%,比吸能为50.6 kJ/kg,相较于方管、锥形管和圆管提高了1.24、0.9和1倍。加工制备两组仿生锥形管和两组锥形管泡沫铝填充结构,完成对薄壁结构的准静态压缩和动态冲击试验,试验结果表明,从仿生锥形管的破坏变形模式来看,自上到下变壁厚的锥形外壳能够有效降低初始峰值载荷且能够显著提高比吸能,是一种具有较高冲击效率的优异吸能结构。在保证轻量化的前提下,改善传统吸能结构的吸能耐撞性。