仿蜻蜓膜翅有限元模型静力学分析

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采集蜻蜓样品,对其进行麻醉,将膜翅取下, 利用上海上平仪器有限公司生产的 FA2004 电子分 析天平、上海长方光学仪器厂生产的 OLYMPUS 体 视显微镜(SZX12)及其 OLYCIATM M3 图像分析 系统,对几何形态参数进行测定,选取 5 个样品分 别对其几何形态参数进行测量,取平均值作为测量 结果,包括:蜻蜓质量 m=178.3mg=1.783×10-4kg; 前 翅 长 a1=26.4mm , 前 翅 宽 b1=7mm ; 后 翅 长 a2=25.7mm , 后 翅 宽 b2=9.4mm ; 前 翅 面 积 A1=34.8mm2;后翅面积 A2=50.9mm2。
利用 TriboIndenter 原位纳米力学测试系统获取 材料属性[20],包括:翅脉弹性模量:E1=3.8032GPa= 3.8032×103 MPa=3.8032×103 N/mm2=3.8032 kN/mm2; 翅膜弹性模量:E2=1.5 GPa=1.5 kN/mm2;泊松比: υ=0.25。
图 3 均布载荷作用下的模拟图 Fig.3 Simulation under uniform load
由图 3b 得知:蜻蜓膜翅有限元模型在竖向均 布载荷作用下,膜翅基部主翅脉所承受的应力较 大,最大应力为 0.259×10-3GPa,中部较小,膜翅末 端及后缘最小,最小应力 0.322×10-7GPa,膜翅末端 及后缘主要由细小的翅脉构成,而应力越高的区域 越容易遭到破坏,说明主翅脉具有更强的稳定性和 承载能力。
(1. 河南理工大学机械与动力工程学院,焦作 454000; 2. 吉林大学生物与农业工程学院,长春 130022; 3. 上海联合汽车电子有限公司,上海 200051)
摘 要:蜻蜓飞行能力高超,其膜翅具有超强抵御负载能力,为了理解和向生物系统学习进而进行技术创新,该
文以蜻蜓膜翅为研究对象,以研究蜻蜓膜翅仿生模型的静力学特性为目标,采用 ANSYS 有限元模拟软件对蜻蜓
0引言
蜻蜓具有高超的飞行能力,不但能向前飞行, 还能向后和左右两侧飞行,甚至是短距离的垂直飞 行。蜻蜓多样的飞行技巧和飞行方式主要来源于其 翅翼的巧妙结构,而且经过亿万年的生物演化,为 了更好地适应其生存环境,蜻蜓膜翅在结构、功能、 材料和性能方面都达到了最优化[1-3]。蜻蜓膜翅质量 约为自身总质量的 1%~2%,但在飞行中却表现出 超强的稳定性和承载能力[4-5]。蜻蜓膜翅主要由翅 膜、对翅膜起支撑和连接作用的纵脉、横脉以及防 颤振的翅痣组成,翅脉纵横交错构成既质轻又性能优 良的类桁架结构,在力学性能中发挥关键作用[6-9]。 本文试图探索蜻蜓膜翅的结构及其性能或功能相 关性,建立具有较好承载能力的仿蜻蜓膜翅结构模 型,进而用于指导薄膜材料的设计和制造,为薄膜 材料的研究提供新的思路和方法。
向均布载荷,kN/mm2。
转化为蜻蜓膜翅有限元模型中使用的单位即
为 1.0202×10-8GPa,对模型基部施加位移约束,其
变形图、应力图和应变图分别如图 3a、3b 和 3c
所示。
仿真结果由图 3a 得知:在相当于蜻蜓在空中
悬停时所承受的升力载荷作用下,蜻蜓膜翅模型基
部变形量为 0,变形量从基部到末端递增幅度约为
集中在对其空气动力学方面的研究,包括运动参数 的测量、运动机理的分析、具体构造的研究等[10]。 而对蜻蜓膜翅自身结构的优越性、稳定性和合理性 方面的具体研究还不够深入。
有限元法随着计算机科学和技术的快速发展, 已成为计算机辅助设计和计算机辅助制造的重要 组成部分。ANSYS 是一个功能强大的用于设计分 析及优化的大型通用有限元分析软件,功能包括从简 单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析[11-15]。本 文采用 ANSYS 有限元模拟软件对蜻蜓膜翅进行分 析,其中二节点管单元 Pipe20 是一个同时具备弯曲 和扭转功能的单元,其描述数据包括:2 个节点、 管的外径、壁厚以及材料特性;四节点壳单元 Shell43 适于模拟线性、翘曲、厚度适中的壳体结构, 可通过节点、厚度以及材料特性定义。蜻蜓膜翅主 要由翅脉和翅膜构成,翅脉具中空结构,翅脉腔近 似圆形,翅膜被翅脉框架环绕,厚约 2μm,翅脉和 翅膜实际特性与二节点管单元 Pipe20 和四节点壳 单元 Shell43 相近,因此在模型中采用二节点管单 元 Pipe20 模拟翅脉,四节点壳单元 Shell43 模拟翅 膜[16-19]。蜻蜓在空中进行振翼式飞行,其膜翅对静 力载荷和动力载荷都有较好的承受能力,本文仅对 蜻蜓膜翅有限元模型进行结构静力学分析,考察模 型在均布载荷、弯矩和扭矩作用下的变形和应力、 应变情况。
则模型受到的弯矩为: M=F1a1=3.5503×10-7×26.4=9.3728×10-6kNmm(4) 式中:a1 为前翅长度,mm;M 为弯矩,kNmm。
对模型基部施加位移约束,末端施力 F1,其变 形图、绕 y 轴的转角、应力图和应变图分别如图 4a、 4b、4c 和 4d 所示。
b. 应力图 b. Stress
目前国内外学者对蜻蜓膜翅的研究工作主要
收稿日期:2013-12-25 修订日期:2014-06-03 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51075185,30600131);第八批 河南省重点学科资助;河南省教育厅自然科学研究计划项目 (2011B410002);河南理工大学博士基金资助项目(B2008-74) 作者简介:赵彦如(1975-),女,河北饶阳人,副教授,博士,主要 从事测试计量理论及其应用方面研究。焦作 河南理工大学机械与动力 工程学院,454000。Email:yanruzhao@
翅模型。采用四边形网格对模型进行网格划分,最 终生成的蜻蜓膜翅有限元模型如图 2 所示。
图 1 蜻蜓膜翅脉络图 Fig.1 Veins of dragonfly wing
图 2 仿蜻蜓膜翅有限元模型 Fig.2 Finite element models imitating dragonfly wing
脉与支翅脉的交界处变形一致,具有优越的整体性能。通过仿蜻蜓膜翅结构模型的建立以及对蜻蜓膜翅结构和功
能相关性的分析,为设计具有较好承载能力的薄膜材料提供了新的思路。
关键词:仿生学;有限元法;变形;蜻蜓膜翅;静力分析;均布载荷;弯矩;扭矩
doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2014.15.005
膜翅有限元模型进行分析,在模型中采用二节点管单元 Pipe20 模拟翅脉,四节点壳单元 Shell43 模拟翅膜。对蜻
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
蜓膜翅有限元模型进行结构静力学分析,考察了模型在均布载荷、弯矩、扭矩作用下的变形和应力、应变情况。
结果显示,蜻蜓膜翅模型在均布载荷、弯矩、扭矩作用下只发生了整体变形,且变形较小,说明蜻蜓膜翅在主翅
中图分类号:Q811
文献标志码:A
文章编号:1002-6819(2014)-15-0033-06
赵彦如,王东升,佟 金,等. 仿蜻蜓膜翅有限元模型静力学分析[J]. 农业工程学报,2014,30(15):33-38.
Zhao Yanru, Wang Dongsheng, Tong Jin, et al. Statics analysis of dragonfly wing based on finite element model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(15): 33-38. (in Chinese with English abstract)
由图 3c 得知:蜻蜓膜翅有限元模型所承受的 应变从模型基部开始沿纵脉呈放射状分布,到模型 末端及后缘逐渐减小,与模型应力的分布趋势基本 一致,最大应变为 0.158×10-3,说明主翅脉具有更 强的稳定性和承载能力,主翅脉、支翅脉相结合, 可提高膜翅的整体强度和承载能力。 2.2 弯矩
大,工作过程中越容易被破坏,可见蜻蜓膜翅这种
第 15 期
赵彦如等:仿蜻蜓膜翅有限元模型静力学分析
35
类桁架结构具有较好的结构刚度[10]。
a. 变形图 a. Deformation
F1=qA1=1.0202×10-8×34.8=3.5503×10-7kN (3) 式中:F1 为在有限元模型末端施加的沿 z 轴方向的 力,kN。
2 有限元模型的力学性能分析
2.1 竖向均布载荷
均布载荷是蜻蜓膜翅所承受的最主要的载荷
形式[23-24]。对蜻蜓前翅的有限元模型施加竖向均布
载荷,载荷大小为蜻蜓自身重力与其膜翅面积之
比,即蜻蜓在空中悬停时所必须提供的升力载荷,
计算公式为:
F=G=mg=1.783×10-4×9.807 =1.7486×10-3N=1.7486×10-6kN
通过采用日本电子公司制造的 JEM-1200EX 型 透射电子显微镜观察,蜻蜓翅脉呈中空结构,其横 截面近似圆形,翅脉腔里分布着气管、神经和循环 体液。而翅脉由气管部位加厚形成,作为膜翅的骨 架起结构稳定作用,环状结构的翅脉具有更好的挠 曲性。同时获取翅脉和翅膜参数,并将蜻蜓膜翅有 限元模型中使用的翅脉参数近似归为 3 类:第一类 翅脉外径:R1=160 μm=0.16 mm,壁厚:h1=60 μm= 0.06 mm;第二类翅脉外径:R2=100 μm=0.1 mm, 壁厚:h2=25 μm=0.025 mm;第三类翅脉外径:R3= 60 μm=0.06 mm,壁厚:h3=15 μm=0.015 mm;翅膜 厚度:h=2 μm=0.002 mm。
第 30 卷 第 15 期 2014 年 8 月
农业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.30 No.15 Aug. 2014 33
仿蜻蜓膜翅有限元模型静力学分析
赵彦如 1,王东升 1,佟 金 2,孙霁宇 2,张 金 3
(1)
式中:F 为蜻蜓在空中悬停时的升力载荷,kN;G
为蜻蜓自身重力,kN;m 为蜻蜓质量,kg;g 为重
力加速度,取 9.807,mm/ms2。
q=
F
= 1.7486 ×10−6
2A1 + 2A2 2 × 34.8 + 2 × 50.9
(2)
8
2
= 1.0202 ×10−8 kN/mm2
式中:A1、A2 为蜻蜓前、后翅面积,mm2;q 为竖
赵彦如等[21-22]曾利用激光三维扫描系统测量 了蜻蜓膜翅样品的几何外形,利用逆向工程软件 Imageware 成功进行了蜻蜓膜翅外形三维几何曲面 模型的重构。将 Imageware 生成的蜻蜓膜翅模型导 入 AutoCAD 软件,在蜻蜓膜翅模型的基础上,参 考蜻蜓膜翅的体视显微镜照片,结合其几何特征以 及翅脉的分布情况绘制蜻蜓膜翅脉络图(图 1), 导入 ANSYS 软件中添加翅膜,生成完整的蜻蜓膜
a. 变形图 a. Deformation
c. 应变图(平面应变) c. Strain (plane strain)
注:MX 及 MN 分别表示最大值及最小值,下同。 Note: MX and MN are the maximum and minimum, respectively. The same as below.
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农业工程学报
2014 年
1 有限元模型的建立
1.1 量纲 ANSYS 有限元软件没有为分析结果指定系统
单位,在结构分析中,可以使用任何一套自封闭的 单位制,所谓自封闭是指这些单位量纲之间可以互 相推导得出。所有的单位基本上都与长度和力有 关,因此可由长度、力和时间的量纲推导出其他的 量纲,考虑到蜻蜓膜翅结构的微小性,设长度单位 为毫米,mm;力的单位为千牛,kN;质量单位为 千克,kg;时间单位为毫秒,ms。 1.2 有限元模型的建立
20% , 最 大 的 结 构 变 形 出 现 在 模 型 的 末 端 , 为
1.908 mm,而蜻蜓膜翅基部主要由较粗的翅脉形成
四边形网格,而末端多由细小的翅脉形成五边形和
六边形网格,说明四边形网格较五边形和六边形网
格刚度大。另外蜻蜓膜翅长约 26.4 mm,宽约 7 mm,
相对蜻蜓膜翅自身尺寸而言,变形微小,而变形越
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