作为一项历史悠久的研究课题,侵彻行为普遍存在于军事与民用领域,从仿生学角度着眼于侵彻过程,研究侵彻物的侵彻行为,有利于充分了解侵彻特性及其作用机理。仿生学是一门新型交叉学科,在解决侵彻、切割部件常见的摩擦磨损、效率能耗等问题时,为研究者提供了新的研究思路和方法。本文采用仿生学方法,以牛鲨上下颌齿为研究对象,通过对其牙齿生物学特性进行分析,结合微观摩擦磨损特性等研究,探索其侵彻切割食物过程中牙齿所表现优异性能的原因,将仿生研究成果应用于侵彻部件优化设计中,可为有效提高侵彻部件的穿透能力并降低其速度衰减提供有益的尝试和探索。牛鲨,是所有鲨鱼中咬合力最大的种类,其尖利的下颌齿可将猎物刺穿,牢牢抓住猎物;三角锯齿形的上颌齿则用于切割猎物。本文通过对牛鲨牙齿的微观形貌结构及组成,摩擦磨损特性进行测试分析,发现牛鲨牙齿的高穿刺切割性能与其外形结构相关。利用逆向工程软件对牙齿进行三维重构,提取特征曲线,并对曲线进行拟合得到仿生曲线方程,结合课题组前期的獾牙研究经验,设计4种头部角度、4种外轮廓曲线,共计16种侵彻部件模型,其中以普通型作为仿生对照模型。运用有限元分析软件对侵彻模型进行静力学和动力学数值模拟,分析对比其力学性能差异以及高速侵彻时剩余速度与速度损失的关系。采用3D打印技术加工了侵彻模型试样,利用电子万能试验机对模型进行了土壤侵彻试验,测定了锲入阻力与侵彻深度的关系。结果表明:静力学分析中,施加相同载荷时,仿生1型在头部角度为30°和40°的模型中最大等效应力小于普通型,仿生3型在头部角度为50°和60°的模型中最大等效应力小于普通型,但模型之间侵彻性能差别较小;动力学分析中,在不同的侵彻初始速度和靶板材料下,仿生1型在头部角度为30°和40°的模型中剩余速度最大,速度损失最小,侵彻性能最优,当头部角度为50°和60°时,仿生3型侵彻性能最好,且仿生1型也优于普通型;土壤侵彻试验中,当侵彻速度为500mm/s,头部角度为30°,仿生1型阻力比普通型降低了12.5%;头部角度为40°,仿生1型阻力比普通型降低了16.2%;头部角度为50°,仿生3型阻力比普通型降低了3.6%;头部角度为60°,仿生3型阻力比普通型降低了8.53%。改变侵彻速度分别为750mm/s,1000mm/s时,所得结论基本与500mm/s时相同,仿生1型在头部角度为30°和40°时侵彻性能最好,仿生3型在头部角度为50°和60°时侵彻性能最好。上述结果表明侵彻物头部外轮廓曲线对侵彻性能有一定的影响,本文以提高侵彻部件的侵彻性能、降低速度衰减为目标,利用仿生设计理念为侵彻部件的优化提供了新的思路和理论基础,具有重要的参考价值。