【摘要】：甲虫前翅(又称“鞘翅”)是一种典型的三明治夹层板结构,具有优化程度高和轻质高强的特征。国内外学者对此轻量化结构展开了长期研究并提出了相应的仿生模型,但至今未能解释甲虫前翅小柱结构本身只把承载力强的纤维布置在外层,而芯层则填充蛋白质的物质组成原因,也未能探明甲虫前翅中小柱-蜂窝芯层结构的作用。因此,为解决上述问题并进一步开发轻质高强仿生结构,本文首先从力学角度定性解释了上述小柱的物质组成原因,并预测以空心小柱-蜂窝结构为芯的甲虫板(甲虫前翅结构仿生夹层板,以下简称甲虫板)拥有卓越的力学性能;首次用以“甲虫板”概念和蜂窝板作的直接对比分析证实了上述预测,并考察了小柱结构对甲虫板芯层变形形式和抗压性能的增强机理及其相应的生物功能。然后通过讨论甲虫板中单元蜂窝小柱数(N)对其压缩性能的影响规律,阐明了上述甲虫板的仿生过程,并结合甲虫前翅的生物结构明确给出甲虫板定义;通过改变小柱半径,在前述小柱增强机理的基础上,进一步提出甲虫板中小柱-蜂窝芯层结构的相互作用机制,为甲虫板力学性能的优化提供实验和理论依据。最后针对不同材料甲虫板力学的稳定性进行探究,并对其芯层基本单元结构的力学性能展开初步探索,为甲虫板等效模型的建立提供思路。主要结论如下:(1)本文提出了甲虫前翅小柱结构的共享机制,并通过夹层板平面外压缩实验证实该小柱共享机制可约束蜂窝壁的屈曲变形,从而使得甲虫板的抗压强度、变形能力和耗能能力都显著高于传统蜂窝板。究其原因,在平面外压缩荷载作用下,蜂窝板中蜂窝壁交汇处的三角形柱以扭转变形为主,和蜂窝壁都产生一个半波的凸曲变形;而甲虫板中的闭口空心小柱结构具有较大的抗扭刚度,可避免扭转破坏,并和蜂窝壁均以产生三个半波的凸曲变形为主,从而有效提高甲虫板抗压强度及变形耗能能力。并且,通过改变三种结构参数考察了甲虫板芯层单元尺寸对其压缩和耗能性能的影响规律,结果表明甲虫板可在材料成本不变的情况下,通过设置小柱结构以提升其力学性能。据此本文探明了甲虫前翅生物结构与其功能之间的本质关系:甲虫前翅通过形成轻质高强且具有优秀耗能能力的三明治夹层板结构构成了甲虫应对自然和天敌的重要防御体系。(2)随着芯层蜂窝单元中小柱数(N)的增加,在N小于等于3时甲虫板抗压强度快速提升;当N等于4至6时,其应力-应变曲线开始出现平台段,变形耗能能力显著提升,并在N为6时具有最佳的抗压性能。据此,本文不仅说明了上述甲虫板的仿生过程及其模型设计的合理性,同时也为实际工程中甲虫板小柱结构的分布形式提供设计依据。究其原因,甲虫板的空心小柱-蜂窝结构存在相互作用机制,即除了小柱约束蜂窝壁的凸曲变形外,反之,蜂窝壁也为小柱提供侧向支撑。当N等于6且小柱外径等于蜂窝壁长度时,上述相互作用机制可充分发挥,使得空心小柱-蜂窝芯层结构产生S型的整体屈曲变形,因而此时的甲虫板具有最佳的抗压性能。在此基础上,本文结合独角仙和锹形虫前翅的生物结构,给出了甲虫板定义:只要芯层结构中存在小柱的三明治夹层板结构即为甲虫板,无论小柱是否空心或位于蜂窝壁何处,也无论是否具有蜂窝壁。(3)金属甲虫板芯层的蜂窝壁及其交汇处的小柱结构在竖向荷载作用下以S型屈曲变形为主,该现象与上述树脂材料甲虫板变形情况一致,说明甲虫板基于不同材料可保持其力学特性。并且,金属蜂窝板的压缩应力-应变曲线只有上升和下降两个阶段。相比之下,金属甲虫板的应力-应变曲线与材料本身的三个阶段(上升、平台、下降)具有高度一致性。特别是甲虫板曲线中屈服平台的出现,可充分发挥金属材料的延性,并具备良好的弹塑性变形能力。此外,基于三明治夹层板等效理论,本文以小柱结构为特征,明确提出甲虫板芯层结构的基本单元及其特点,且实验证实所选取的基本单元几乎不改变小柱结构本身平面内约束条件,因而具有较高的独立性和力学稳定性,其达到抗压强度后的屈服平台以及屈曲后强度变化趋势与整体芯层结构压缩性能也具有较高的一致性,为甲虫板及其小柱-蜂窝芯层结构等效模型的建立提供思路。
【图文】：
层为高承载力的纤维结构，而芯层则由几乎无承载能力的蛋白质构成（图 1-柱中的纤维以螺旋线或直线等方式（图 1-2c,d）巧妙地与上，，下层中的纤维连。这种连接方式连续且有机地遍布在以百或千为单位的小柱之间，同时具有天结构（图 1-1c）。需要注意的是，甲虫前翅中的小柱结构在 KOH 溶液处理前的实心柱（包含外层的纤维和内部蛋白质），而处理后则因蛋白质被 KOH 强碱[27]
1-2 甲虫前翅小柱结构及其模型[107]。（a）甲虫前翅小柱结构；（b）简易模型；（c,d小柱结构与上下面板的连接方式。其中，宽箭头所指为小柱结构。根据上述生物结构，陈锦祥于 2000 年提炼出具有小柱-蜂窝芯层的独角仙前翅三易结构模型[108]（图 1-3a）；2003 年提交的发明专利中给出了空心小柱-蜂窝芯夹层
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU399
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 富明慧;徐欧腾;陈誉;;蜂窝芯层等效参数研究综述[J];材料导报;2015年05期
2 许述财;邹猛;魏灿刚;王龙臻;张金换;于用军;;仿竹结构薄壁管的轴向耐撞性分析及优化[J];清华大学学报(自然科学版);2014年03期
3 李正官;郭策;;仿生吸能结构的设计及耐撞性研究[J];机械制造与自动化;2012年06期
4 周怡;郭策;朱春生;戴振东;;具有层状纤维缠绕的仿甲虫鞘翅轻质结构的设计及其力学性能分析[J];中国机械工程;2011年16期
5 郭婷;王跃方;;仿甲壳虫芯柱的缓冲吸能结构[J];工程力学;2011年02期
6 宋文伟;郭策;马岩;张晓玉;戴振东;;仿甲虫鞘翅轻质结构的力学性能研究[J];机械科学与技术;2010年10期
7 戴振东;张亚锋;梁醒财;孙久荣;;甲虫鞘翅间的锁合机构、联接力及其表面织构效应[J];中国科学(C辑:生命科学);2008年06期
8 陈锦祥,倪庆清;甲虫前翅中的三维复合材料结构[J];复合材料学报;2003年06期
9 程红,孙久荣,李建桥,任露泉;臭蜣螂体壁表面结构及其与减粘脱附功能的关系[J];昆虫学报;2002年02期
10 陈斌,彭向和,范镜泓;生物自然复合材料的结构特征及仿生复合材料的研究[J];复合材料学报;2000年03期
相关博士学位论文 前2条
1 袁伟;结构色纤维/面料的制备及其光学性质研究[D];苏州大学;2014年
2 刘锋;甲虫的结构色与结构变色研究[D];复旦大学;2008年
相关硕士学位论文 前4条
1 吴薇;两种甲虫体色变化不可逆／可逆构色机制研究[D];吉林大学;2016年
2 刘昶;工艺小孔对一体化蜂窝板力学性能的影响及对策研究[D];东南大学;2016年
3 祖峤;一体化蜂窝板结构参数的优化研究[D];东南大学;2015年
4 李兴冀;复合材料柱/泡沫塑料夹芯结构板成型工艺及性能研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
本文编号：
2706211
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/chengjian/2706211.html
