王棕组织多尺度结构力学建模方法及仿王棕结构设计研究

发布时间：2017-12-19 21:17

  本文关键词：王棕组织多尺度结构力学建模方法及仿王棕结构设计研究　出处：《华南理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：在植物进化过程中,个体生长与生态环境的相互影响、相互作用,使得植物体对该环境做出最优适应性状态。人类直接与间接运用植物器官对自然界力学环境的适应性结构是创造性解决一些工程问题的途径,但只有准确理解了天然植物材料的成分、结构对其所具备的优势性能的影响方式,才能成功地对植物材料及结构进行综合运用,才能实现基于植物材料与结构的仿生设计。本文以这种思想为指引,首先对王棕组织进行了多尺度力学建模研究,并且利用多尺度模型分析了其结构与力学性能之间的关系,最后在此基础上提出了仿王棕力学行为的两种蜂窝结构,并讨论了这两种结构在风力机叶片复合主梁设计中的应用,具体内容包括:微观尺度下,纠正了细胞壁理论建模研究对植物解剖学定义的盲从,通过将植物细胞壁S1层与S2层之间的过渡区域——中间层引入细胞壁弹性力学建模及其干缩湿胀变形及吸水软化行为建模研究中,发现其对纵向与横向弹性模量的预测精度上较传统模型分别提升了80%与11%,并且考虑中间层后的细胞壁同心圆模型也能更加准确地预测细胞壁吸水后的软化及纵向上的收缩变形,获得不同相对湿度下的结果数据。修正的细胞壁力学模型为植物中尺度下的力学建模及研究奠定了基础。中尺度下,参考文献数据及中间层细胞壁力学模型建模结果,确立了不同湿度下细胞壁的力学、物理参数;在Delaunay三角化的基础上提出并实现了面积权重分割算法,对王棕叶鞘维管组织多孔结构进行了二维重建,并且利用重建结果进行三维王棕叶鞘维管组织代表性单元以及单根维管束几何模型的建立,对两种模型的力学性能进行了数值计算;考虑含水率及湿度的影响,针对两种模型分别设计了王棕叶鞘组织样品及单根维管束样品的拉伸力学试验,在不同湿度下,试验测量纵向弹性模量与仿真计算值基本一致,仿真计算中代表性单元模型等效应力分布中薄弱区域也与实际样品最终失效位置吻合,所以中尺度维管组织有限元模型能够预测王棕叶鞘组织的力学行为。利用验证后的有限元模型研究了各区域对维管组织静态及动态力学行为的影响,总的来说,不论是静态载荷下还是动态载荷下,各区域的布置精巧地应对了各个方向、各个应变率及各个应变大小下的载荷,并且各区域实现的功能各有分工,是王棕叶鞘组织在长期进化时对周围力学环境适应过程中反复调整、改善及优化的结果。宏观尺度下,借助中尺度有限元模型与密度测量实验提供的材料属性,对王棕分枝结构的力学性能进行了研究,结果显示王棕分枝从叶鞘到叶柄的材料性能梯度分布可以提高整体力学柔顺性,降低对内外侧分枝及主干的压力,保证了中性面上更小更均匀的切应力分布。分枝结构从叶柄到叶鞘组织增大的泊松比数值加剧了叶鞘段接触表面的耦合变形,从而增强了摩擦耗能。所以,分枝结构组织弹性模量与泊松比的梯度分布对分枝结构的力学性能各有贡献。效仿王棕通过调整组织中硬化区域的体积分数来控制不同组织泊松比的方法,本文提出了采用空白区域释放耦合变形的思路,并且利用空白约束机理创造出一种零泊松比RSRE(解释全称)网格结构,用试验、仿真的方法证明了其二维下的零泊松比性能,并且揭示了RSRE三维层合结构的三维零泊松比的能力,揭示了RSRE蜂窝结构在弯曲变形时的低泊松效应,验证了其降低层合结构中层间切应力的作用。效仿王棕分枝结构的刚度分配策略,构造了仿生角梯度蜂窝结构,其从内到外弹性模量升高,从外到内剪切模量升高,采用试验验证过的有限元方法,从单列单元到整体蜂窝网格、从静态载荷到动态载荷对仿生角梯度蜂窝的抗剪性能进行了全方位分析,其切应力分布均优于同质量的正六边形蜂窝。在此基础上结合RSRE零泊松比网格,提出了一种风力机叶片复合主梁的仿生结构设计方案:RSRE零泊松比蜂窝担当复合横梁芯层,仿生梯度蜂窝担当复合腹板芯层,并且在静、动态三点弯曲实验与弯扭耦合载荷仿真试验下对不同模型不同位置的切应力、切应变分布及对应受载模式的其他力学行为进行了研究,在主梁个体受载与装入叶片后整体受载的分析结果显示:RSRE零泊松比网格与仿生梯度蜂窝设计方案切应力分布比正六边形蜂窝更小、更均匀。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q811

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本文编号：1309472