多种材料复合的仿巨嘴鸟喙轻质结构设计与力学性能研究
发布时间：2021-05-17 10:07
自然界中巨嘴鸟的喙是一种“三明治”复合夹芯结构,在自然进化过程中,因觅食和筑巢等功能需求,巨嘴鸟喙具有优异的力学性能,是典型的轻质高强结构,其密度仅为0.1g/cm3,目前已成为理想的仿生对象。本文以巨嘴鸟喙的微观结构为仿生模板,在对巨嘴鸟喙内部微结构形态进行观测与分析的基础上,设计出仿巨嘴鸟喙的单胞微结构型式以及仿巨嘴鸟喙的复合夹芯结构,并对其力学性能开展了深入研究。利用基于定义的有限元方法,通过对单胞结构的分析预测其宏观力学性能。分别对仿生单胞结构和经典Gibson–Ashby闭孔泡沫模型进行建模,使用有限元分析软件ANSYS workbench对压缩载荷及剪切载荷条件下两种单胞结构的力学性能进行分析和比较,结果表明仿生单胞结构的比弹性模量及比剪切模量均更优越。对仿生单胞模型进行参数化设计,以最小质量、最小等效应力及最大约束反力为优化目标进行参数优化设计,获得了夹芯结构单元的最优尺寸参数,在此基础上设计仿巨嘴鸟喙夹芯板梁结构。选取工程实际中常用的两种蜂窝夹芯排列方式,并通过有限元分析选择抗弯性能较好的蜂窝夹芯板梁作为与仿巨嘴鸟喙复合夹芯板梁进行力学性能对比分析...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景及其意义
1.2 复合夹芯板材料的发展现状
1.3 仿生复合夹芯板研究现状
1.4 巨嘴鸟喙结构性能研究现状
1.5 课题来源、研究目标和内容
1.5.1 课题来源
1.5.2 研究内容
第二章 仿巨嘴鸟喙的微结构单元设计
2.1 引言
2.2 巨嘴鸟喙形态结构特征研究
2.3 鸟喙的力学特性
2.4 仿生单胞结构设计
2.5 本章小结
第三章 仿巨嘴鸟喙结构的力学性能研究
3.1 引言
3.2 周期性结构等效弹性能研究方法
3.3 有限元仿真分析概述
3.4 边界条件的处理
3.4.1 压缩载荷作用下的边界条件
3.4.2 剪切载荷作用下的边界条件
3.5 实例验证
3.5.1 蜂窝结构的等效弹性模量
3.5.2 蜂窝结构的等效剪切模量
3.6 仿巨嘴鸟喙结构的等效力学性能预测
3.6.1 等效弹性性能的预测及对比分析
3.6.2 等效剪切性能的预测及对比分析
3.7 本章小结
第四章 仿巨嘴鸟喙单胞结构的参数优化及仿生夹芯板设计
4.1 引言
4.2 优化方法与步骤
4.3 设计变量及优化目标
4.4 响应面计算结果及分析
4.5 基于巨嘴鸟喙结构的夹芯结构设计
4.6 蜂窝夹芯结构设计
4.7 本章小结
第五章 芯板板梁结构试样的制备及力学性能测试
5.1 引言
5.2 两种夹芯板梁试样的制备
5.2.1 基于3D打印技术的夹芯结构的制备
5.2.2 环氧树脂基碳纤维面板的制备及粘合
5.3 夹芯板试样的抗弯性能测试及分析
5.3.1 试验仪器及其设置
5.3.2 夹芯板试样的抗弯性能测试结果及分析
5.4 本章小结
第六章 总结及展望
6.1 全文总结
6.2 前景与展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及参与项目
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于试验设计方法和响应面方法的九索并联机构优化设计[J]. 郑昱,孟凡伟,杨占立,易旺民. 机械工程学报. 2017(17)
[2]光固化3D打印快速成型技术[J]. 周鹏,郭龙,赖书城,马玲,周倩,司朝维. 物联网技术. 2017(04)
[3]技术突破 西门子3D打印出燃气涡轮叶片[J]. 李晓娜. 计算机与网络. 2017(07)
[4]基于响应面分析的双主轴龙门铣床横梁截面优化设计[J]. 杨建交,赵慧,张俊,王奎章. 组合机床与自动化加工技术. 2017(03)
[5]基于响应面法的听小骨消声器的优化设计[J]. 程军圣,余淏. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(02)
[6]基于响应面法的薄壁机匣加筋肋优化设计[J]. 艾延廷,赵婷,田晶,辛明. 机械设计与制造. 2017(01)
[7]复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用[J]. 柳敏静,武湛君. 科技导报. 2016(08)
[8]泡沫金属材料仿真建模的研究进展（英文）[J]. 邱飒蔚,张新娜,郝青显,窦仁军,鞠燕,胡曰博. 稀有金属材料与工程. 2015(11)
[9]3D打印行业国内发展现状[J]. 柳建,雷争军,顾海清,李林岐. 制造技术与机床. 2015(03)
[10]3D打印技术的发展与应用对未来产品设计的影响[J]. 张楠,李飞. 机械设计. 2013(07)
博士论文
[1]甲虫鞘翅材料微结构、力学性能及联接机制的研究[D]. 杨志贤.南京航空航天大学 2009
[2]仿生层状结构壳聚糖医用材料的研究[D]. 胡巧玲.浙江大学 2004
硕士论文
[1]三维打印贝壳仿生结构的力学性能研究[D]. 马骁勇.中国科学技术大学 2015
[2]密质骨多级微结构的强韧机理[D]. 张智凌.重庆大学 2014
[3]基于碳纤维复合材料的轻质结构仿生设计及力学性能研究[D]. 江小婷.南京航空航天大学 2014
[4]碳纤维管状立体织物复合材料机械性能的实验与研究[D]. 徐方.东华大学 2013
本文编号：3191577
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景及其意义
1.2 复合夹芯板材料的发展现状
1.3 仿生复合夹芯板研究现状
1.4 巨嘴鸟喙结构性能研究现状
1.5 课题来源、研究目标和内容
1.5.1 课题来源
1.5.2 研究内容
第二章 仿巨嘴鸟喙的微结构单元设计
2.1 引言
2.2 巨嘴鸟喙形态结构特征研究
2.3 鸟喙的力学特性
2.4 仿生单胞结构设计
2.5 本章小结
第三章 仿巨嘴鸟喙结构的力学性能研究
3.1 引言
3.2 周期性结构等效弹性能研究方法
3.3 有限元仿真分析概述
3.4 边界条件的处理
3.4.1 压缩载荷作用下的边界条件
3.4.2 剪切载荷作用下的边界条件
3.5 实例验证
3.5.1 蜂窝结构的等效弹性模量
3.5.2 蜂窝结构的等效剪切模量
3.6 仿巨嘴鸟喙结构的等效力学性能预测
3.6.1 等效弹性性能的预测及对比分析
3.6.2 等效剪切性能的预测及对比分析
3.7 本章小结
第四章 仿巨嘴鸟喙单胞结构的参数优化及仿生夹芯板设计
4.1 引言
4.2 优化方法与步骤
4.3 设计变量及优化目标
4.4 响应面计算结果及分析
4.5 基于巨嘴鸟喙结构的夹芯结构设计
4.6 蜂窝夹芯结构设计
4.7 本章小结
第五章 芯板板梁结构试样的制备及力学性能测试
5.1 引言
5.2 两种夹芯板梁试样的制备
5.2.1 基于3D打印技术的夹芯结构的制备
5.2.2 环氧树脂基碳纤维面板的制备及粘合
5.3 夹芯板试样的抗弯性能测试及分析
5.3.1 试验仪器及其设置
5.3.2 夹芯板试样的抗弯性能测试结果及分析
5.4 本章小结
第六章 总结及展望
6.1 全文总结
6.2 前景与展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及参与项目
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于试验设计方法和响应面方法的九索并联机构优化设计[J]. 郑昱,孟凡伟,杨占立,易旺民. 机械工程学报. 2017(17)
[2]光固化3D打印快速成型技术[J]. 周鹏,郭龙,赖书城,马玲,周倩,司朝维. 物联网技术. 2017(04)
[3]技术突破 西门子3D打印出燃气涡轮叶片[J]. 李晓娜. 计算机与网络. 2017(07)
[4]基于响应面分析的双主轴龙门铣床横梁截面优化设计[J]. 杨建交,赵慧,张俊,王奎章. 组合机床与自动化加工技术. 2017(03)
[5]基于响应面法的听小骨消声器的优化设计[J]. 程军圣,余淏. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(02)
[6]基于响应面法的薄壁机匣加筋肋优化设计[J]. 艾延廷,赵婷,田晶,辛明. 机械设计与制造. 2017(01)
[7]复合材料蜂窝夹层结构在飞机中的应用[J]. 柳敏静,武湛君. 科技导报. 2016(08)
[8]泡沫金属材料仿真建模的研究进展（英文）[J]. 邱飒蔚,张新娜,郝青显,窦仁军,鞠燕,胡曰博. 稀有金属材料与工程. 2015(11)
[9]3D打印行业国内发展现状[J]. 柳建,雷争军,顾海清,李林岐. 制造技术与机床. 2015(03)
[10]3D打印技术的发展与应用对未来产品设计的影响[J]. 张楠,李飞. 机械设计. 2013(07)
博士论文
[1]甲虫鞘翅材料微结构、力学性能及联接机制的研究[D]. 杨志贤.南京航空航天大学 2009
[2]仿生层状结构壳聚糖医用材料的研究[D]. 胡巧玲.浙江大学 2004
硕士论文
[1]三维打印贝壳仿生结构的力学性能研究[D]. 马骁勇.中国科学技术大学 2015
[2]密质骨多级微结构的强韧机理[D]. 张智凌.重庆大学 2014
[3]基于碳纤维复合材料的轻质结构仿生设计及力学性能研究[D]. 江小婷.南京航空航天大学 2014
[4]碳纤维管状立体织物复合材料机械性能的实验与研究[D]. 徐方.东华大学 2013
本文编号：3191577
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