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铁锭甲虫鞘翅连接机制及仿生蜂窝结构的力学性能研究

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铁锭甲虫鞘翅连接机制及仿生蜂窝结构的力学性能研究

作者：魏杰西安建筑科技大学

学位级别：硕士

在自然界的漫长演化过程中,铁锭甲虫的鞘翅以拼图方式进行连接,使得甲虫的飞行能力逐渐退化,外骨骼不断硬化,整体结构具备极强的抗压能力,能够很好地抵御外部捕食者。研究鞘翅连接处的几何特征和互锁效应,对开发新的连接方式和仿生应用... 详细信息

在自然界的漫长演化过程中,铁锭甲虫的鞘翅以拼图方式进行连接,使得甲虫的飞行能力逐渐退化,外骨骼不断硬化,整体结构具备极强的抗压能力,能够很好地抵御外部捕食者。研究鞘翅连接处的几何特征和互锁效应,对开发新的连接方式和仿生应用提供了新思路。本文基于铁锭甲虫的结构特性,通过理论分析、数值模拟和试验分析等方法对铁锭甲虫的支撑结构、连接方式和仿生结构等方面进行力学性能研究。主要工作如下:基于铁锭甲虫现有的研究,对铁锭甲虫的内部支撑结构进行轴压模拟和试验分析,进一步研究鞘翅的拼图连接方式对甲虫整体抗压性能的影响。根据拼图连接的几何特征,建立了理论分析模型对拉拔过程中的峰值载荷进行预测,并与试验和有限元模拟结果进行对比,验证了理论模型的正确性。通过试验和模拟相结合,研究了拼图连接的单元数量、连接角度和几何尺寸对刚度、强度和韧性等力学性能的影响。在相同接触面积的情况下,增加单元数量导致单元尺寸的改变,从而影响拼图连接在拉拔过程中的力学性能;在相同单元尺寸的情况下,随着单元数量的增加,拼图连接的力学性能呈现线性增长趋势,其原因在于数量的增加使得接触面积增大。拼图连接角度的增大导致互锁程度加深,连接部位不易分离,拉拔强度得到相应提高。椭圆轴比(a:b)的增大使得拼图连接的力学性能得到提高,比值为2.2:1时具有最佳的力学性能。综上分析可知,增加单元数量、增大连接角度和椭圆轴比(a:b),对提升拼图连接的力学性能具有积极意义。以传统的内凹六边形蜂窝结构为基础,结合铁锭甲虫拼图连接的几何特征,对内凹六边形蜂窝结构进行重新设计,提出新型仿生蜂窝圆柱形结构。通过试验和模拟相结合,研究了仿生蜂窝圆柱形结构在轴压情况下的变形机制、破坏形式、能量吸收和结构抗变形等特性。深入研究了不同的连接角度、几何尺寸对仿生蜂窝圆柱形结构力学性能的影响。对于不同连接角度的结构,力学性能产生差异的原因在于结构单元和整体尺寸的不同。对于不同椭圆轴比的结构,力学性能产生差异的原因在于椭圆轴比的改变导致结构单元两侧的曲率不同。以铁锭甲虫仿生蜂窝结构单元为基础,设计铁锭甲虫仿生蜂窝平面结构。结合有限元数值模拟在结构冲击方面的成功案例,采用有限元数值模拟方法进行低速冲击研究,重点分析铁锭甲虫仿生蜂窝平面结构在轴向冲击下的变形机制和能量吸收等特性。通过改变蜂窝结构单元的连接角度和椭圆轴比,进一步探讨结构的变形模式和吸能特性。

关键词：仿生甲虫鞘翅拼图连接蜂窝结构有限元 3D打印轴向冲击

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仿甲虫鞘翅轻质结构及其参数优化设计

复合材料学报 2015年第3期32卷 856-863页

作者：郭策江小婷邹稳蓬王笑春南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所南京210016 蓬莱巨涛海洋工程重工有限公司蓬莱265607

为研发新型轻质结构,在对甲虫鞘翅断面微结构进行观测的基础上,分析了甲虫鞘翅的微观结构特征,并据此设计和制备了基于碳纤维/环氧树脂复合材料的仿生轻质结构。对仿生轻质结构进行准静态压缩试验,同时利用有限元法对仿生轻质结构进行... 详细信息

为研发新型轻质结构,在对甲虫鞘翅断面微结构进行观测的基础上,分析了甲虫鞘翅的微观结构特征,并据此设计和制备了基于碳纤维/环氧树脂复合材料的仿生轻质结构。对仿生轻质结构进行准静态压缩试验,同时利用有限元法对仿生轻质结构进行压缩性能分析,并将分析结果与试验结果进行对比,证明了有限元分析的正确性和可靠性。在此基础上进一步利用响应面法对仿生轻质结构进行参数优化设计。结果显示:压缩载荷下仿生轻质结构的最大承载力为18 455.00N,较优化前结构的提高了26.4%,压缩比强度为47.43 MPa/(g·cm-3),优化效果显著。

关键词：甲虫鞘翅微观结构仿生结构有限元分析碳纤维复合材料

基于甲虫鞘翅的客车八边形仿生多胞薄壁管耐撞性研究

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振动与冲击 2019年第21期38卷 24-30页

作者：白芳华张林伟白中浩覃祯员张永春王若璜胡伟重庆车辆检测研究院有限公司国家客车质量监督检验中心重庆401122 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082

为了提升客车前部吸能结构的耐撞性,通过模拟甲虫鞘翅的微观结构,设计了一系列新型客车八边形仿生多胞薄壁管,并对其在轴向加载下的吸能特性进行了研究。首先,建立了八边形多胞薄壁管的有限元模型,然后,采用简化超折叠单元理论验证了有... 详细信息

为了提升客车前部吸能结构的耐撞性,通过模拟甲虫鞘翅的微观结构,设计了一系列新型客车八边形仿生多胞薄壁管,并对其在轴向加载下的吸能特性进行了研究。首先,建立了八边形多胞薄壁管的有限元模型,然后,采用简化超折叠单元理论验证了有限元模型的有效性。最后,通过有限元仿真对比研究了八边形仿生多胞薄壁管与传统多胞薄壁管的耐撞性。结果表明,八边形仿生多胞薄壁管具有优异的耐撞性表现。

关键词：八边形仿生多胞管甲虫鞘翅理论验证耐撞性

仿鞘翅轻质曲面夹芯板结构的设计及其力学性能研究

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仿鞘翅轻质曲面夹芯板结构的设计及其力学性能研究

作者：曹秀燕南京航空航天大学

学位级别：硕士

甲虫鞘翅是一种具有特殊结构和功能的生物材料,保护甲虫免受外界伤害,具有轻质、高强等特点,是近年来研究轻质高强多功能结构材料的主要仿生对象之一。甲虫鞘翅具有很强的承载能力,除了与内部微观结构有关,还与其特有的拱形曲面分不开... 详细信息

甲虫鞘翅是一种具有特殊结构和功能的生物材料,保护甲虫免受外界伤害,具有轻质、高强等特点,是近年来研究轻质高强多功能结构材料的主要仿生对象之一。甲虫鞘翅具有很强的承载能力,除了与内部微观结构有关,还与其特有的拱形曲面分不开。本文以东方龙虱为研究对象,采用smart SCAN三维激光扫描仪对东方龙虱鞘翅的几何曲面进行三维测量,获取了东方龙虱鞘翅曲面结构的点云数据。抽取东方龙虱鞘翅的外形轮廓数据,并将数据导入Matlab,采用最小二乘法编程进行数学建模,得到甲虫外形轮廓的数学模型。进一步利用CATIA逆向工程模块实现东方龙虱鞘翅三维几何模型重构。在几何曲面建模基础上,根据甲虫鞘翅断面的微观结构,设计、制备了一种仿生轻质曲面夹芯板结构。建立了仿鞘翅轻质曲面夹芯板结构的有限元模型,并利用有限元法对其进行弯曲力学性能分析,得到仿生轻质结构的弯曲力-位移曲线。为验证有限元分析的正确性,在万能试验机上对试样进行三点弯曲实验,并将实验结果与有限元分析结果对比,结果表明两者有较好的一致性。同时,将仿鞘翅轻质曲面夹芯板结构与平面夹芯板结构、实心曲面板结构进行力学性能的比较分析,结果表明所设计的仿鞘翅轻质曲面夹芯板结构具有更优越的力学性能。文中进一步利用有限元法对仿鞘翅轻质曲面夹芯板结构进行抗压力学性能的分析。利用有限元法对仿鞘翅轻质曲面夹芯板结构进行抗冲击性能分析。建立了落锤和仿生轻质结构的有限元力学模型,对仿鞘翅轻质曲面夹芯板结构在冲击载荷作用下的动态响应进行模拟,求解出冲击过程中结构的应力变化情况及其所承受的冲击功。同时,对结构试样进行落锤冲击试验,得到其冲击吸收功。将有限元结果与实验结果进行比较,以验证有限元分析的正确性。建立仿鞘翅轻质曲面夹芯板参数化模型,并以质量和最大等效应力为优化目标进行多目标综合优化设计,确定结构的最优参数。优化后结构的最大等效应力减小了9.9%,总质量减小了2%左右。优化后结构的比吸能提高了7.5%。

关键词：甲虫鞘翅逆向工程曲面重构有限元分析冲击优化设计

仿生轻质高强韧夹芯结构设计及其力学性能研究

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仿生轻质高强韧夹芯结构设计及其力学性能研究

作者：马玉秋南京航空航天大学

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甲虫经过亿万年的不断进化,其鞘翅进化出了具有与周围环境相适应的特殊结构和功能。研究表明甲虫鞘翅是一种轻质高强耐损伤的生物材料,已成为近年来研究新型轻质多功能结构材料的主要仿生对象之一。本文以白星花金龟为研究对象,使用扫... 详细信息

甲虫经过亿万年的不断进化,其鞘翅进化出了具有与周围环境相适应的特殊结构和功能。研究表明甲虫鞘翅是一种轻质高强耐损伤的生物材料,已成为近年来研究新型轻质多功能结构材料的主要仿生对象之一。本文以白星花金龟为研究对象,使用扫描电镜对鞘翅的不同方向、不同部位的断面微结构进行了观测和分析,并根据鞘翅表皮层中观测到的纤维铺排方式以及微观结构特征,设计仿生铺排层合板和仿生芯体结构。利用有限元分析软件ABAQUS/Explicit对仿生铺排层合板进行三点弯曲分析,结果表明仿生双螺旋层合板的韧性性能更加优异。使用碳纤维复合材料分别制备仿生双螺旋层合板和正交铺排层合板,并进行三点弯曲试验,验证了有限元分析结果的可靠性。根据白星花金龟鞘翅断面微观结构形式提出了两种仿生芯体结构Ⅰ型和Ⅱ型,首先对仿生芯体结构进行参数优选确定结构尺寸,并使用有限元法对两种仿生芯体结构进行三点弯曲分析并与蜂窝芯体结构进行对比,根据载荷-位移曲线计算其韧性,结果表明仿生芯体结构的韧性性能优于蜂窝芯体结构。其次对两种仿生芯体结构进行抗压缩性能分析,与蜂窝结构单胞比较,结果表明仿生芯体结构Ⅱ型的抗压缩性能最好。最后使用金属3D打印技术制备了三种结构单胞试样并进行了压缩试验,验证了有限元分析的准确性和可靠性。将仿生双螺旋层合板分别与两种仿生芯体结合,对两种仿生鞘翅夹芯结构进行三点弯曲分析,并与蜂窝夹芯结构进行对比,结果表明仿生夹芯结构Ⅱ型的韧性最好。最后使用胶接技术制备了三种夹芯结构并进行三点弯曲试验,试验结果与有限元分析结果一致。

关键词：甲虫鞘翅复合材料轻质有限元三点弯曲韧性压缩

仿生轻质结构在飞机大开口区的多功能协同优化设计

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仿生轻质结构在飞机大开口区的多功能协同优化设计

作者：陆振玉南京航空航天大学

学位级别：硕士

自然生物材料中，甲虫鞘翅是一种具有质轻、高比强度等优异性能的多孔材料，现已成为开发轻质高强多功能结构材料的主要仿生对象之一。目前国内外对甲虫鞘翅的仿生结构复合材料的研究主要集中在模仿生物结构，并以此制备具有相似特性的... 详细信息

自然生物材料中，甲虫鞘翅是一种具有质轻、高比强度等优异性能的多孔材料，现已成为开发轻质高强多功能结构材料的主要仿生对象之一。目前国内外对甲虫鞘翅的仿生结构复合材料的研究主要集中在模仿生物结构，并以此制备具有相似特性的结构材料，而在仿甲虫鞘翅结构的多功能设计及应用方面研究较少。本文针对基于碳纤维仿甲虫鞘翅轻质结构的平板结构，首先采用“等效介质模型”的方法建立热学分析模型，构造出平板结构的散热性能目标函数;其次，采用响应面法得到其静态和动态性能的响应面拟合函数;最后通过构造总体目标函数，实现了仿生轻质结构的多功能协同优化设计。优化后的仿生轻质结构具有良好的散热和力学方面的综合性能，是飞机开口区筋板设计的良好材料。进一步将优化后的仿生结构用于飞机开口区结构的筋板设计，并对开口区整体结构进行布局优化设计。首先采用响应面法建立开口加筋结构布局优化的近似模型，然后利用遗传算法对近似模型进行优化。结果表明在相同的承载能力条件下，优化后开口加筋结构的一阶屈曲因子较优化前有较大提高而结构总质量减少了15%。复合材料开口加筋结构需要进行铺层优化设计，本文采用等效弯曲刚度法建立其铺层优化模型，再利用遗传算法解决包含离散变量的铺层优化问题，确定结构的最佳铺层顺序。铺层优化后结构整体一阶屈曲因子有所增大，同时再次验证了层合板铺层优化的必要性和等效弯曲刚度法在对称层合板铺层优化设计中的有效性。

关键词：甲虫鞘翅仿生轻质结构响应面法布局优化铺层优化

仿鞘翅轻质曲面夹心板结构的设计及其力学性能研究

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机械制造与自动化 2016年第2期45卷 149-152页

作者：曹秀燕郭策董本正南京航空航天大学江苏南京210016

甲虫鞘翅是一种优异的天然复合材料,具有壳薄、质轻、高强韧性、抗断裂、损伤自愈合、疏水等性能。采用三维激光扫描仪对东方龙虱鞘翅进行扫描,获取点云数据,抽取甲虫鞘翅轮廓线进行曲线拟合,运用逆向工程技术进行曲面重建。在对甲虫鞘... 详细信息

甲虫鞘翅是一种优异的天然复合材料,具有壳薄、质轻、高强韧性、抗断裂、损伤自愈合、疏水等性能。采用三维激光扫描仪对东方龙虱鞘翅进行扫描,获取点云数据,抽取甲虫鞘翅轮廓线进行曲线拟合,运用逆向工程技术进行曲面重建。在对甲虫鞘翅外形曲面重构和断面微观结构特征分析的基础上,设计、制备了一种仿甲虫鞘翅轻质结构曲面夹心板。对仿生结构模型进行有限元分析,并对试样进行实验测试,以验证有限元分析的正确性和可靠性。在此基础上,在相同结构尺寸下将仿生曲面夹心板与平板夹心结构进行力学性能比较,结果表明所设计的仿鞘翅轻质曲面夹心板具有更优越的力学性能。

关键词：甲虫鞘翅微观结构仿生设计曲面重建力学分析