仿螳螂虾鳌结构/功能的玄武岩纤维增强复合材料碟簧研究

发布时间：2025-04-18 04:28

　　 针对碟形弹簧质量大且不耐腐蚀等问题,基于螳螂虾鳌具有的独特螺旋纤维结构,借助玄武岩纤维具有的密度小、耐腐蚀和环保等特性,构建了仿螳螂虾螯玄武岩纤维增强复合材料碟簧的有限元理论模型,并探寻了单向玄武岩纤维织物螺旋铺排角度与复合材料碟簧载荷抗力之间的作用规律。计算结果表明:单向玄武岩纤维织物螺旋铺排角度为90°时,复合材料碟簧可获得最大载荷抗力6244 N,较非螺旋铺排的单向玄武岩纤维织物复合材料碟簧的载荷抗力(4846 N)提升28.90%,这归因于纤维铺排角度与碟簧环形对称结构的协同作用。计算结果与验证试验结果一致。

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【部分图文】：

图1 螳螂虾螯结构

螳螂虾螯是螳螂捕食和御敌的利器，它可以像锤子一样击碎甲壳类、贝类及螺类等动物的硬壳，其具有的轻质、抗冲击特性远超过绝大多数人造机械。图1a为螳螂虾螯的外观图[12]，由其剖面可以观察到螺旋区的结构组成;其螺旋区的扫描电子显微镜图如图1b所示[12]，该结构中生物纤维呈周期性螺旋铺....

图2 玄武岩碟簧有限元模型(a)和网格划分示意图(b)

通过螳螂虾鳌微观螺旋区的启示，以单层单向玄武岩纤维模拟螳螂虾鳌的单层生物纤维，设计了不同层间角度的碟簧，并通过设定有限元模拟中的铺层角度实现。本文设计的碟簧有限元模型如图2a所示，碟簧尺寸为:外径为Ф50mm，内径为Ф22mm，自由高度为6mm，内锥高度为2mm，厚度为4....

图3 碟簧有限元分析

图5为铺层角度θ=45°的应力分布，可以看出，应力的分布方向与铺层角度的变化一致，并且与图4中相同，也具有从上至下的铺层大应力区域逐渐减小的趋势，这从第10层与第1层的应力分布对比可以看出。图5中显示的第1层～第5层的应力变化对应着1个变角度周期，整个碟簧(10层铺层)对应2个变....

图4 铺层角度θ=0°时的应力分布

使用单向玄武岩纤维织物基于湿法成形制备了螺旋铺层角度为90°的碟簧，即模拟结果显示载荷最大的铺层角度的碟簧(图3c)，其中碟簧尺寸与模拟过程中所设置的尺寸一致，制备的碟簧如图7a所示。利用WDW-300型万能试验机对碟簧进行压缩测试，试验过程中上压板匀速加载，加载速度为2mm·....

本文编号：4040530