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巴拿马椰子树薄壁生物启发结构的耐撞行为

巴拿马椰子树薄壁生物启发结构的耐撞行为

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作者： reyes batista estephany del carmen（任巴缇）中南大学

学位级别：硕士

对材料特性的研究在研究和工业领域进行,作为获得材料的优势和寻找潜在应用的工具。因此,生物启发材料领域有助于结构的设计和材料的制造,目的是将已知的自然结构与特定的材料相结合。毫无疑问,对具有改进的机械性能的结构和材料的需求... 详细信息

对材料特性的研究在研究和工业领域进行,作为获得材料的优势和寻找潜在应用的工具。因此,生物启发材料领域有助于结构的设计和材料的制造,目的是将已知的自然结构与特定的材料相结合。毫无疑问,对具有改进的机械性能的结构和材料的需求正在上升,以及为提高抗震性和内部缓冲而提供定制性能的材料组合。本文介绍的吸能结构的一些应用,将在下文中说明。根据Lu和Yu书,吸能结构/材料的主要应用可以归纳为以下五个方面。提高车辆耐撞性的结构,用于道路安全的结构,用于保护工作中的事故的结构,用于个人保护的结构和用于商品包装的结构.有许多关于这种结构的科学研究,也有多个模型经过测试和优化,以实现拯救生命和减少损失的目的。这项研究旨在测试新的生物启发设计。大自然作为一个伟大的灵感来源,已经进化了数百万年。将对薄壁模型进行分析。这些可以在用于能量吸收应用的结构领域进行评估。在Lazarus等人的研究中,总结了生物材料的一般特征,如分层、复合、多孔和界面。另一方面,还介绍了在抗冲击生物材料中发现的具体结构:它们是分层、梯度、管状、夹层和缝合。这样的研究解释了在自然界中发现的许多管状型材料由于典型的塑性变形和裂纹偏转机制而增强了抗冲击性。通过这种方式,这项研究希望了解和理解在自然界发现的特定植物的主要结构特征,以模仿其结构并在三维建模软件的帮助下进行模拟,使我们能够分析和评估生物启发的薄壁结构的能量吸收。为了实现目的和目标,首先回顾了现有的科学研究,然后从巴拿马和美洲大陆的植被中获取灵感,以确定、解释、设计、验证和优化用于吸收能量的薄壁结构(直管)。这就是我们如何在以前的研究基础上着手验证FE方法,以便能够应用这种方法。然后,我们生成了受巴拿马椰树启发的薄壁圆管和方管的模型,在轴向和斜向载荷下进行数值试验,通过这些试验评估防撞性能,观察可用于能量吸收应用的替代结构的变形模式。本研究在第二章中介绍了一些基本知识,以及在薄壁结构设计中使用生物灵感的研究,特别是对圆形和方形结构。根据Lu&Yu的观点,无论应用何种结构设计来吸收能量,都有一些基本原则需要考虑,因为它们是一种指导原则。其中包括。不可逆的能量转换,受限和恒定的反作用力,长效冲击,稳定和可重复的变形模式,轻质和高比能量吸收能力以及简单和低成本的安装。有了生物启发设计的定义,下一步就是管子的制造、实验测试和数值分析。所查阅的科学文献研究中使用的实验方法包括不同的制造方法,如传统方法(车床加工、深拉工艺、成型、激光切割/雕刻、精密铸造工艺和线放电加工技术)、增材制造(使用3D打印技术)、层压,和其他新的制造技术。关于机械测试或试验的性能,我们可以提到蠕变和应力测试、准静态测试、低和高应变动态测试和冲击测试等方法。这些测试在生物启发设计领域的应用对于验证天然材料和由生物启发设计制造的材料的机械性能至关重要。科学文献中报道的数值分析方法包括使用有限元分析(FEA)工具,如Abaqus,ANSYS,Cosmos Works,Deform和LS-DYNA。关于数值模拟,已知的情况如下。当评估测试方法的类型以测量生物启发设计的能量吸收时,根据Lazarus等人,有不同的静态和动态方法。这些方法根据结构的可实现的变形率进行分组,即变形量对时间的变化。静态和准静态方法的应变速率小于100s-1,动态方法则高于这个范围。在决定方法时,区别在于要考虑到在动态试验中,载荷在短时间内快速施加,导致结构振动,必须考虑到结构的惯性力。而在静态和准静态试验中,载荷是缓慢施加的,它不依赖于时间,惯性力可以忽略不计。为了评估薄壁管的能量吸收特性(在轴向和斜向载荷下),在类似的研究中,很常见的是利用载荷-位移曲线评估这种结构在某些防撞标准下的性能,其中有以下几种:能量吸收(EA),比能量吸收(SEA),平均压溃力(MCF),峰值破碎力(PCF),压碎力效率(CFE).本研究的灵感来自于椰子树(Cocos nucifera)的茎。Fathi进行了一项研究,调查椰子树、油棕榈树和枣树木材的结构和机械/物理特性的关系。椰子树在整个巴拿马境内非常普遍;因此,这种植物被选为生物启发设计的对象。椰树茎的稳定性和椰树茎材料机械性能测试的良好结果,主要是由于维管束和实质细胞的组合,它们共同作为加固材料。在下一章中,首先解释了灵感的过程,圆柱形和方形的薄壁结构的设计,其几何形状,管子材料的机械性能,以及用于模拟的方法。然后介绍了有限元方法的验证结果。最后,介绍了每种设计的图表和模拟结果,绘制了不同的防撞标准,并比较了圆柱形和方形管在轴向破碎力和斜向冲击力下的设计效率。在一个名为***的免费在线工具上搜索植物管理结构力的生物策略,我发现树木和那些用于获得木材的树木都是实心圆柱体,因为它们有强大的维管束分布在茎中。这些维管束在外缘具有较高的强度和密度。椰

关键词：轴向挤压能量吸收生物启发设计耐撞性椰子树结构斜向冲击血管束

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