仿甲虫鞘翅轻质结构的力学性能研究_宋文伟
纤维凉亭 灵感来自甲虫鞘翅
纤维凉亭灵感来自甲虫鞘翅
佚名
【期刊名称】《高科技纤维与应用》
【年(卷),期】2014(39)4
【摘要】乍看之下,这个由碳纤维和玻璃纤维编织而成的凉亭好像一只蜘蛛,但实际上,它的原型是完全不同的另一种虫子。
来自斯图加特大学计算设计研究所（ICD）的研究人员以飞行中的甲虫为原型,设计了这个＂2014研究亭＂。
或许更确切地说,研究人员借鉴的是甲虫的鞘翅,在甲虫飞行过程中,坚硬的鞘翅可以为后翅提供保护。
【总页数】2页(P44-44)
【关键词】纤维编织;甲虫;鞘翅;凉亭;灵感;斯图加特大学;研究人员;计算设计
【正文语种】中文
【中图分类】S379.5
【相关文献】
1.具有层状纤维缠绕的仿甲虫鞘翅轻质结构的设计及其力学性能分析 [J], 周怡;郭策;朱春生;戴振东
2.灵感，来自生活，来自市场——“我的灵感，我的立邦” [J], 无
3.吉林蛟河阔叶红松林中甲虫(鞘翅目)群落时间动态分析 [J], 刘生冬;孟昕;孟庆繁;韩云鹤;李燕;赵红蕊
4.基于甲虫鞘翅的客车八边形仿生多胞薄壁管耐撞性研究 [J], 白芳华; 张林伟; 白
中浩; 覃祯员; 张永春; 王若璜; 胡伟
5.吉林蛟河不同林分腐木甲虫(鞘翅目)多样性分析 [J], 刘生冬;史佳琦;董诗睿;吴新毅;孟庆繁;李燕;赵红蕊;靳英华
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基于甲虫鞘翅的客车八边形仿生多胞薄壁管耐撞性研究
基于甲虫鞘翅的客车八边形仿生多胞薄壁管耐撞性研究白芳华; 张林伟; 白中浩; 覃祯员; 张永春; 王若璜; 胡伟【期刊名称】《《振动与冲击》》【年(卷),期】2019(038)021【总页数】7页(P24-30)【关键词】八边形仿生多胞管; 甲虫鞘翅; 理论验证; 耐撞性【作者】白芳华; 张林伟; 白中浩; 覃祯员; 张永春; 王若璜; 胡伟【作者单位】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【正文语种】中文【中图分类】U463.8随着公路客运行业的飞速发展，客车碰撞引发的交通事故成为客车道路交通事故的主要形态之一，客车发生正面碰撞的事故约占整个客车事故的50%～60%[1]。
为了更好的保护客车乘员，增加客车前部吸能装置，提高客车前部结构耐撞性已经成为各大客车企业的研究热点。
金属薄壁结构以其优异的吸能特性、轻便的质量和低廉的成本被广泛应用于车辆、船舶和航空航天等领域[2-3]，对于客车而言，采用金属薄壁管作为吸能元件是比较合适的。
过去数十年来，众多学者对金属薄壁管的耐撞性进行了大量研究。
张宗华等[4]研究了具有不同边数的多边形金属薄壁管在轴向加载下的吸能特性，发现多边形薄壁管的能量吸收随着多边形边数的增加而增加，但当多边形薄壁管的边数超过8时，其能量吸收基本趋于稳定。
为了进一步提高金属薄壁管的能量吸收效率，很多学者通过在金属薄壁管内添加肋板构成多胞吸能结构，并对其耐撞性进行研究。
Zhang等[5]对轴向动态冲击下的铝合金单胞和多胞方管进行了有限元分析，结果表明多胞方管的吸能效率比单胞方管要高出50%。
此外，Nia等[6]对三角形、四边形、六边形、八边形的单胞和多胞管在轴向准静态压缩下的吸能特性进行了试验研究，结果表明八边形多胞管具有较高的比吸能。
随着对金属薄壁结构研究的不断深入，设计出大幅提升耐撞性的薄壁结构也越来越难。
仿甲虫鞘翅轻质结构的力学性能研究_宋文伟
第 10 期
宋文伟等： 仿甲虫鞘翅轻质结构的力学性能研究
1377
近年来，国内外 就 甲 虫 鞘 翅 的 微 结 构 和 力 学 性 能等方面展开了一定的研究。杨志贤等研究了东方 龙 虱 鞘 翅 的 断 面 结 构 ，指 出 鞘 翅 由 背 壁 层 、腹 壁 层 和 中 空 夹 芯 层 构 成 ，背 壁 层 、腹 壁 层 之 间 由 桥 墩 状 纤 维 组织空心柱体结 构 连 接 起 来 提 高 力 学 性 能［8，9］。 陈 锦祥等通 过 对 独 角 仙 鞘 翅 的 内 部 微 结 构 的 分 析 探 讨，指出来鞘翅为具 有 以 小 柱 为 中 空 层 的 夹 芯 状 三 合板结构，并且小柱 体 与 内 部 薄 膜 组 成 类 似 于 蜂 窝 多 边 形 的 网 状 结 构，以 加 强 鞘 翅 的 强 度 和 断 裂 韧 性［10 ～ 。 12］
同时 考 虑 纵 向 与 横 向 断 面 微 结 构 是 相 似 的，因 此设想鞘翅的微结构更接近于内部由许多球形的空
腔构成，每两空腔之 间 有 一 垂 直 于 上 下 表 面 的 小 柱 孔，由此建立了仿生结构Ⅱ，如图 3（ b） 所示，主 要由 相同直径的空心球与垂直于表面的小柱孔组成。
笔者 以 东 方 龙 虱 的 鞘 翅 为 主 要 的 研 究 对 象，通 过对鞘翅断面的微 结 构 观 察，分 析 了 鞘 翅 的 微 观 结 构。在此基础上设计了 3 种仿鞘翅轻质结构模型， 并利用 Ansys Workbench 10. 0 对 3 种结构的压缩力 学性能进行有限元数值分析，给出 3 种结构的载荷位移曲线，比较了 3 种结构的比刚度、比强度。同时 利用三维打印机制 造 出 了 仿 鞘 翅 结 构 模 型，进 行 准 静态压缩实验，将实 验 结 果 与 有 限 元 分 析 结 果 进 行 了 比 较 ，证 明 了 有 限 元 分 析 结 果 的 正 确 性 和 可 靠 性 。
仿生吸能结构的设计及耐撞性研究
仿生吸能结构的设计及耐撞性研究李正官;郭策【摘要】通过观察东方龙虱鞘翅结构特征,设计了一种仿甲虫鞘翅轻质吸能结构.为了降低吸能结构在碰撞过程中的峰值载荷,对吸能结构提出三种改进方案.利用显式有限元技术,以结构的总吸能、峰值载荷和屈曲变形形式为评价指标,对三种改进的吸能结构进行了对比分析,最终得出填加凹槽改进吸能结构缓冲吸能性最好.%In this paper one kind of bio-inspired lightweight and energy absorbing structure is designed based on the analysis of structural characteristics of beetle cuticles. In order to reduce the peak force from an impacting process, three improving methods are presented. The analysis and comparison of three kinds of structures are performed by ANSYS/LSDYNA . The maximum absorption energy, minimum initial force peak and deformation are taken as assessment criteria. The result is confirmed that the structure with groove is the best in absorption and buffer.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2012(041)006【总页数】4页(P115-117,120)【关键词】碰撞;有限元;改进;吸能;缓冲【作者】李正官;郭策【作者单位】南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TH120 引言随着汽车的日益普及，汽车碰撞事故的发生越来越频繁，汽车交通事故不仅仅造成了严重的经济损失和人员伤亡，而且也给人们带来了巨大的精神伤害，所造成的社会危害是极其严重的，可以说汽车道路交通事故已经成为了一种灾难。
甲虫鞘翅材料微结构、力学性能及联接机制的研究
鞘翅张合机制方面，通过高速摄像机录制的鞘翅张合运动轨迹录像，分析甲虫鞘翅上标记 点的三维轨迹来描述甲虫鞘翅的张合运动机制，得到甲虫鞘翅的张合运动机制为：绕经过小盾 板位置的单轴的旋转运动；鞘翅仰角在 30°～60°之间，甲虫为了最大限度地减少鞘翅在飞行当 中的能量消耗而选择了最适应的角度，鞘翅的张合过程易于控制且节能、高效。
Regarding mechanical properties, a Nano-indenter Test and a Tensile Test were carried out on different beetles’ elytra to investigate its mechanical properties and tensile intensity. Results show that the mechanical properties of elytra increase gradually from the cephalosome zone to the empennage zone, which presents topological distribution. The hardness and modulus of beetles’ elytra were taken from the results of the Nano-indenter and Tensile tests through linear regression and the average values were 0.335GPa±0.130GPa and 6.920GPa±1.461GPa, respectively. Cybister’s results were 0.475GPa±0.089GPa and 8.214GPa±0.708GPa, respectively, which is 1.41 and 1.19 times that of beetles’ elytra, respectively. Thus, this confirms conclusively that Cybister elytra have a much more excellent performance compared to that of beetles’ elytra. Tensile Test results indicate that the distortion of beetles’ elytra is largely elastic, while the longitudinal stress to fracture is larger than the transverse one. The stress to fracture of fresh elytra (σb) is 169.2MPa～194.5MPa; the specific intensity is 0.20～0.22 (the specific intensity is defined as σb to ρ). Compared to the Mg-Li alloy (0.16～0.21), fresh elytra have a high specific intensity.
基于昆虫（体壁及翅）形态结构的仿生学研究进展
基于昆虫（体壁及翅）形态结构的仿生学研究进展饶冉【摘要】昆虫是一类经历了数十万年的环境变迁的古老物种,并在长期进化过程中形成了许多适应各种特殊环境的形态构造和功能,其因此一直是备受关注的仿生对象之一。
充分挖掘具有特殊体表形态结构和优越性能的昆虫资源,利用其构造的原理开发具有特殊性能的新型仿生复合材料和工具,对材料科学的发展具有极为重要的现实意义。
该文总结了一些昆虫的体表形态结构功能及其原理,并简单探讨了其应用领域和价值。
%The insect is a kind of old species which has experienced hund reds of thousands of years of environmental changes and formed adapted construction and function to all kinds of special environment in the longterm evolution. Therefore ,It has been one of the bionic objects of great concern. Fully exploiting insect resources which have special morphology ,structure and superior performance and using the principles of its structure to develop biomimeties composite materials and tools with special performance are of great importance to material science. The paper summarized the morphology, structure and their principles of body surface of insects and briefly discussed its application fields and value.【期刊名称】《现代农业科技》【年(卷),期】2012(000)018【总页数】4页(P266-268,272)【关键词】昆虫;形态结构;仿生;材料【作者】饶冉【作者单位】西北大学生命科学学院,陕西西安710069【正文语种】中文【中图分类】Q969.97在特殊环境中生活的昆虫，为了适应外界环境的不利影响，往往具备其自身特殊的体表形态结构及功能。
《基于仿沙漠甲壳虫水收集材料的制备与性能研究》
《基于仿沙漠甲壳虫水收集材料的制备与性能研究》一、引言沙漠作为全球面积较大的地区之一，由于严重缺水而引发了一系列生存难题。
对生物多样性和生态系统来说，这些地方生存物种都需要依靠特定的机制和结构来获取水源。
而其中一种被称为“仿沙漠甲壳虫”的生物以其卓越的水收集能力备受关注。
通过仿生学的视角，我们将探讨仿沙漠甲壳虫水收集材料的制备过程以及其性能研究，以期为解决沙漠地区的水资源问题提供新的思路和材料。
二、仿沙漠甲壳虫的生物学特性仿沙漠甲壳虫是一类具有显著的水收集特性的昆虫。
它们的独特结构、高适应性的生活方式使其成为研究和借鉴的对象。
该种生物能高效地从各种微观、难获取的湿润环境中捕获和保留水，得益于其精细的结构设计和高效的材料应用。
这一自然界的生物优势成为了本研究的启发源泉。
三、制备方法及实验设计针对仿沙漠甲壳虫水收集的机制和特性，本研究制定了特定的材料制备方法和实验设计：1. 通过对甲壳虫身体结构和微观结构进行深度分析和仿真模拟，选取最合适的仿生模型和设计原则。
2. 根据所选仿生模型和设计原则，制备含有相应功能的仿生材料，主要方法包括生物合成与合成改性相结合的方法。
3. 对制备的材料进行表征和性能测试，包括材料的表面形貌、吸水性能、持久性等指标的检测。
四、实验结果与讨论通过一系列实验操作和性能测试，得到如下实验结果：1. 所制备的仿沙漠甲壳虫水收集材料，在微米尺度上复制了其复杂表面结构，形成了高度类似且更具应用价值的微观形态。
2. 材料具备较高的吸水能力，可在短时间内从周围环境中捕获大量水分。
其吸水能力甚至在连续使用时仍然能维持良好水平。
3. 通过微观表征和化学成分分析发现，所制材料的表面对水分具有更好的黏附力，以及特殊的渗透性和润湿性。
4. 实验结果表明，仿生材料的水收集效率、稳定性和耐用性均表现出色，显示出在干旱环境中潜在的应用价值。
五、性能评价及应用前景本研究所制备的仿沙漠甲壳虫水收集材料具有以下优点：1. 高效性：能够快速且有效地从微小水源中收集水分。
基于增材制造技术的自修复结构设计及修复性能研究
第３５卷第１期中国机械工程V o l ．３５㊀N o ．１２０２４年１月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．１４４Ｇ１５１基于增材制造技术的自修复结构设计及修复性能研究张㊀镇㊀郭㊀策㊀胡财吉㊀郑㊀威南京航空航天大学机电学院,南京,２１００１６摘要:以轻质夹芯板类结构件为主要研究对象,根据结构的断裂破坏形式,开展了结构自修复设计和实现方法的研究.通过增材制造技术完成结构样件的制备,并进一步通过实验测试对比分析了修复后结构力学性能的恢复效果.研究结果表明所设计的夹芯板自修复结构对裂纹具有较好的修复能力,修复后结构的抗压力学性能恢复到原结构的８５．６％.关键词:鞘翅;轻质结构;自修复;增材制造;裂纹中图分类号:T B １７D O I :１０．３９６９/j．i s s n ．１００４ １３２X．２０２４．０１．０１４开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):R e s e a r c ho nS e l f Ｇr e p a i r i n g S t r u c t u r eD e s i g na n dR e p a i rP e r f o r m a n c e B a s e do nA d d i t i v eM a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g yZ H A N GZ h e n ㊀G U O C e ㊀HU C a i ji ㊀Z H E N G W e i C o l l e g e o fM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,N a n j i n g U n i v e r s i t y ofA e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ,N a n j i n g,２１００１６A b s t r a c t :T a k i n g l i g h t w e i g h t s a n d w i c h p l a t e s t r u c t u r e s a s t h em a i nr e s e a r c ho b je c t ,t h e s e lf Ｇr e Ｇp a i r i ng d e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o nm e th o dw e r e s t u di e d a c c o r d i n g to t h e f r a c t u r e f a i l u r e f o r m s o f t h e s t r u c t u r e s ．T h e s t r u c t u r a l s a m p l e sw e r e p r e p a r e db y a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y,a n d t h e r e s Ｇt o r a t i o n e f f e c t o f t h e r e p a i r e d s t r u c t u r a lm e c h a n i c s p r o p e r t i e sw a s c o m p a r e d a n d a n a l y z e d t h r o u g he x Ｇp e r i m e n t a l t e s t s ．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e d e s i g n e d s a n d w i c h p l a t e s e l f Ｇr e p a i r i n g st r u c t u r e h a s a g o o d a b i l i t y t o r e p a i r c r a c k s ,a n d t h e s t r e s s r e s i s t a n c e o f t h e r e pa i r e d s t r u c t u r e i s r e s t o r e d s t o ８５．６％o f t h e o r i gi n a l s t r u c t u r e s ．K e y wo r d s :e l y t r a ;l i g h t w e i g h t s t r u c t u r e ;s e l f Ｇr e p a i r i n g ;a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g ;c r a c k 收稿日期:２０２３０８１５基金项目:国家自然科学基金(５１８７５２８２)０㊀引言自然界生物为了适应竞争残酷的生存环境,在时间长河中不断进化,形成了独特的生物结构以及优异的性能.如甲虫的鞘翅就是经历上亿年进化后的产物,它覆盖在膜质的后翅腹部上,主要用于保护飞行翅和维持飞行中的平衡等.它因具有高强高韧㊁各向异性和良好的力学性能等特点,已成为航空航天领域轻质高强结构设计的理想仿生对象[１Ｇ２].杨志贤等[３]研究了甲虫鞘翅的断面结构,发现鞘翅由背㊁腹壁层和中空夹芯层构成,背㊁腹壁层之间由桥墩状纤维组织空心柱体结构连接,这样的结构形式使其具有优异的力学性能;周怡等[４]根据甲虫鞘翅微观结构设计出具有层状纤维缠绕方式的仿生轻质结构,通过与无纤维缠绕的轻质结构分析对比,得出有纤维缠绕的仿生轻质结构的力学性能更加优异的结论.随着科技的发展进步,航空航天等众多领域对材料结构[５]的要求也越来越高,即便是轻质高强韧材料在使用过程中也不可避免地会产生损伤和裂纹[６],并由此引发宏观裂缝进而导致结构断裂.为了确保结构材料在力学性能㊁成本效益和安全可靠性方面达到最大效能,要求结构中的裂纹必须及时被发现并尽可能修复.而裂纹的修复工作是困难的,过程也比较复杂[７].由此,自愈技术的概念便被提出来,以寻找可能的解决方案.D A V AM I 等[８]设计了一种新型仿仙人掌科植物的自修复结构,该结构被设计为由垂直肋组成的单元格,将未固化的树脂充当自修复结构内的愈合剂并封存于单元格中,当单元格破裂时释放愈合剂,在固化光作用下完成自我修复;HO N E等[９]从植物的茎中汲取灵感,设计了一种圆柱体结构,其中包含细胞结构和用于输送治愈剂的纵向血管通道,通过细胞壁的变形和断裂,将愈合剂引入血管通道,使破裂的细胞壁得到修复;４４１G U A D A G N O等[１０]研究了自愈合聚合物复合材料,该材料包含微囊化愈合剂和嵌入催化剂,在微胶囊中引入微裂纹后,通过毛细管作用释放愈合剂填充裂纹面,当愈合剂与催化剂接触聚合时,将裂缝面黏结在一起,从而实现愈合;L I等[１１]利用默里定律设计了基于胶凝材料的自愈合三维血管结构,在血管系统的空心通道或相互连接的网管中包含治疗剂,并通过３D打印完成结构的制备;沈令斌[１２]研究了基于智能结构仿生自修复的多功能液芯光纤关键技术,设计了一种以光固化材料为纤芯㊁石英材料为包层㊁聚合物光纤作为光窗的特殊结构液芯光纤,将其埋入复合材料板中,当复合材料板弯曲出现裂纹时,液芯光纤能够及时释放修复剂,在修复光源的辐射下完成自修复;L I 等[１３]研究了基于管网载体的树脂基复合材料的光自愈现象,设计了基于外部损伤的自愈机制的管网结构,并应用N S G AＧⅡ算法对管网载体拓扑结构进行了优化,最终通过光修复实验证实了该结构存在一定的修复能力.本文在课题组前期研究基础上,以仿甲虫鞘翅承压板为研究对象,分析其受压时的破坏断裂位置和形态,并根据裂纹形态特征估算裂纹的特征尺寸和最大裂纹体积,在此基础上设计出用于存放修补液的空腔结构并通过紫外光照射实现结构的自修复,通过实验测试对比分析了修复后结构的力学性能,对修复效果进行了评价.１㊀仿生轻量化结构设计根据实验室前期研究可得出结论:甲虫鞘翅内部的微观结构及生物材料的拓扑分布规律与其力学性能密切相关[１４].图１a所示为鞘翅断面微观结构,鞘翅在横向和纵向横截面上具有相似的形态结构,都由内外表皮层构成,内表皮之下存在着由纤维层环绕的圆形或椭圆形的空腔,圆形和椭圆形空腔的平均直径分别约为３０~４０μm和８０~９５μm.该结构形态有效地减少了鞘翅的质量,并与周围螺旋编织缠绕的几丁质纤维层相互配合,能够很好地抵抗外界冲击带来的损伤.以此微观形态设计的轻质高强夹芯结构(图１b)为连续圆形空腔结构,由面板和空腔芯板组成,芯管空腔形状由四段对称圆弧面和两段粘接平面构成,芯管外侧是将各芯管组合在一起的波纹板.以图１b结构中的单层连续圆形空腔结构为模板,经适当简化,设计了图２所示的仿鞘翅轻质夹芯板结构,该结构外形尺寸为７０m mˑ４０m mˑ２８m m,夹芯板中壁厚均为４mm.㊀㊀(a)鞘翅微观结构图(b)连续圆形空腔结构图１㊀仿鞘翅轻质结构[１５Ｇ１６]F i g．１㊀B i o n i c l i g h t w e i g h t s t r u c t u r e[１５Ｇ１６](a)侧面(b)正面图２㊀仿鞘翅轻质结构模型F i g．２㊀B i o n i c l i g h t w e i g h t s t r u c t u r em o d e l２㊀自修复结构设计２．１㊀自修复原理材料结构的自我修复主要通过物质补给和能量补给,同时模仿生物体内损伤愈合的原理,再利用材料的特性使材料内部或者外部损伤能够进行自我修复.按照修复机理,自修复技术可分为两大类:第一类是通过结构设计在材料内部分散地存储一些功能性物质来实现,当存储空间破裂时,这些物质相互之间产生化学反应,完成自身能量和物质的补充[１７],以实现结构的修复;第二类是通过加热㊁光照等方式向材料提供能量,使其发生结晶㊁成膜或交联等作用来实现自我修复.本文所选取的修复方式为光敏树脂吸收光能实现自我修复,如图３所示.将设计的空腔结构提前放置在结构受压断裂处,并通过S L A(s t e r e o l i t h o g r aＧp h y a p p a r a t u s)光固化成形技术,将液态光敏树脂封存在内置空腔结构中,当结构出现裂纹并且㊀(a)无负载㊀㊀(b)出现裂纹㊀㊀(c)修补液释放图３㊀自修复原理F i g．３㊀S e l fＧr e p a i r i n gp r i n c i p l e５４１基于增材制造技术的自修复结构设计及修复性能研究 张㊀镇㊀郭㊀策㊀胡财吉等经过空腔时,液态树脂流出,同时为其提供波长为４０５n m 的紫外光,直至光敏树脂固化,实现结构的自我修复.２．２㊀夹芯板断裂失效位置和形态分析２．２．１㊀有限元模型的建立分别以尺寸为２．０,１．６,１．４,１．２,１．１,１．０,０．９,０．８,０．７,０．６,０．５,０．４mm 的六面体网格建立该轻质夹芯结构的有限元模型,模型的网格数量分别为７０８０㊁１４５２５㊁２０３８７㊁３２７４２㊁４２８４６㊁５２２００㊁７６００５㊁９９５００㊁１５４６８６㊁２３７９８４㊁３９８３２０㊁７９７８００.利用有限元软件W o r k b e n c h 的显式动力学模块对不同网格数量的结构进行压缩仿真的数值模拟.材料选用f o r m 系列中的标准树脂,该材料的密度为１．１６g /c m ３,弹性模量为１６００M P a ,泊松比为０．４.结构的失效形式为应力应变失效,材料的最大主切应力分别为６５M P a 和５２M P a ,最大主切应变分别为０．０４和０．０６.边界条件为模型底面固定支撑,上表面中间施加向下的１mm 的位移载荷,有限元计算结果如图４所示.网格单元尺寸大于０．８mm ,数量少于１０万时仿真数值有明显的波动,网格数量逐渐大于１０万时,计算结果趋于稳定,约为７４M P a .因此选取稳定后的第二个点作为结构的仿真结果,如图５所示,即六面体网格尺寸为０．７mm ,网格数量为１５４６８６,节点数量为６９２４６５.当模型网格中应力与应变超过失效值时,形成裂纹.图４㊀网格无关性分析F i g ．４㊀G r i d i n d e p e n d e n c e a n a l ys is 图５㊀有限元模型F i g．５㊀F i n i t e e l e m e n tm o d e l ２．２．２㊀计算结果根据仿真结果,如图６所示,随着压缩位移的增大,夹芯结构逐渐出现应力集中,应力集中主要出现在内腔壁的四个边角以及筋板状连接结构中,当最大主应力与应变到达极限时,裂纹出现并且贯穿整个内腔壁,如图６d 中局部放大图所示.记录仿真结果中各处的裂纹位置,作为后续设计封存修补液空腔结构的依据.㊀(a )开始压缩㊀㊀㊀㊀(b )出现应力集中㊀㊀㊀㊀(c )出现裂纹㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(d)裂纹增加图６㊀模型断裂应力云图F i g．６㊀M o d e l f r a c t u r e s t r e s s c l o u d s ２．３㊀修补液容积估算２．３．１㊀裂尖塑性区与张开位移在结构失稳断裂前,裂纹尖端存在一个塑性区,由于裂纹的存在,材料在该区域内的应力将会出现集中,这种应力集中作用导致材料在裂纹尖端周围发生塑性变形[１８].塑性区的出现使裂尖的应力集中情况得到缓和,塑性区的大小与材料本身的特性有关.通常情况下,材料的塑性变形能力越大同时所受应力越大时裂尖塑性区也越大[１９],即便无塑性变形能力的脆性材料,其裂纹尖端也存在一定大小的塑性区.裂尖张开位移是指一个理想裂纹受载时,其裂纹表面间的距离,而断裂过程主要是由裂尖的塑性变形量控制的,裂尖张开位移可以作为塑性变形量的尺度[２０].当裂尖张开位移达到临界值时,对于像光敏树脂这样的脆性材料,裂纹将迅速向前扩展直至贯穿,结构发生完全断裂,如图７所示.(a )出现裂纹㊀㊀(b )塑性变形㊀㊀㊀(c)裂纹扩展图７㊀断裂过程F i g．７㊀F r a c t u r e p r o c e s s６４１ 中国机械工程第３５卷第１期２０２４年１月２．３．２㊀估算原理及计算方法由上述分析可知,结构出现裂纹后,在失稳断裂前,裂端有相当大的塑性区,当裂纹顶端张开位移达到其临界值时,裂纹将开启裂扩展.如图８所示,裂纹张开位移公式为δ＝２u ＝１＋кG K Ⅰr２π(１)к＝３－４ν㊀㊀平面应变３－ν１＋ν平面应力{(２)式中,δ为裂纹张开位移;u 为y 方向上的位移分量;K Ⅰ为裂尖的应力强度因子;G 为剪切模量;ν为泊松比.图８㊀裂纹张开位移[２１]F i g ．８㊀C r a c ko p e n i n g d i s pl a c e m e n t [２１]应力强度因子是断裂力学中表征裂纹尖端应力应变场的重要参数,其应力强度因子越大,裂纹就越容易扩展[２２].裂纹扩展时,裂纹尖端发生钝化和张开,形成一个张开区,I r w i n 裂端塑性区间的尺寸r 可按下式估计[２３]:r ＝K ２Ⅰ２πσ２s(３)式中,σs 为材料屈服应力.根据I RW I N [２３]对裂端塑性区间的修正,真正裂纹长度被有效裂纹长度取代,此时原点移到有效裂纹的端点.将式(３)代入式(１),可得I r w i n 小范围屈服修正下的裂纹张开位移:δ＝４K ２ⅠπE σs(４)式中,E 为弹性模量.根据上文对夹芯结构的压缩断裂失效分析,可确定结构各处裂纹的位置及方向.以结构中的裂纹p 为例,从侧面将二维裂纹看作三角形,则三维空间的裂纹可看作三棱柱,如图９所示.当裂纹张开位移达到临界值时,裂纹迅速贯穿,结构完全断裂,此时的有效裂纹宽度可看作三角形的底边长度x ,内腔壁的厚度为三角形的高(４mm ),内腔壁长度作为三棱柱的高(４０mm ),以此计算三棱柱的体积,并将其作为在结构完全断裂时三维裂纹的最大体积,即所需填充的修补液容积.以裂纹p 为例,建立该裂纹的几何模型如图１０a 所示,该裂纹起点至终点连线的倾斜角度为１３５ʎ.裂纹张开位移达到塑性区的临界值时,此图９㊀估算示意图F i g ．９㊀E s t i m a t i o nd i a gr a m 时的有效裂纹宽度为x .提取图９中的两个三角形进行公式推导,图１０b 所示为三角形１和三角形２,三角形１的高为r ,底为δ.三角形２的高由三段组成为r ＋a ＋b ,底为x .其中a ＝０．５c o s ４５ʎ(５)b ＝x２t a n４５ʎ(６)两个三角形相似可得r δ＝r ＋a ＋b x(７)将式(６)代入式(７)并进行变换可得x ＝δ(r ＋a )r －δ２t a n４５ʎ(８)由此可知三角形底边x 与高度为４mm ,三棱柱高度为模型内腔壁长度,为４０mm ,则该处三维裂纹的最大体积估算公式为V ＝８０x(９)(a)裂纹张开模型(b)裂纹面积计算模型图１０㊀裂纹几何模型F i g ．１０㊀C r a c k g e o m e t r y mo d e l ２．３．３㊀结构应力强度因子计算针对所提出的夹芯结构板,利用有限元法计算结构的应力强度因子.根据２．２节分析得到的各个裂纹位置,依次在原结构对应位置处预制微裂纹.以图９中裂纹p 为例,该处微裂纹参数如图１１a 所示,此时裂纹最大张开宽度为０．２mm .７４１ 基于增材制造技术的自修复结构设计及修复性能研究张㊀镇㊀郭㊀策㊀胡财吉等在W o r k b e n c h 中建立该结构的有限元模型,并在裂纹处建立局部坐标系,然后对整体模型进行网格划分,特别对裂纹处进行网格细化,分区数量设置为３０,如图１１b 所示.利用断裂工具将裂纹设置为预网格裂纹,并且设置与２．２节中相同的边界条件进行有限元分析计算.㊀㊀(a )预制裂纹㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b )有限元模型图１１㊀裂纹分析F i g ．１１㊀C r ac ka n a l ys i s 由有限元计算结果可知,该处裂纹尖端在给定边界条件下的应力强度因子K Ⅰ为２９．４M P amm １２,将数值代入式(３)与式(４),计算得到裂尖张开位移δ与r ,将δ与r 再代入式(８)以及式(９),即可得到三维空间裂纹体积约为３２．１mm ３.同理计算出各处的应力强度因子,并代入上述公式,估算出各处裂纹的三维空间体积,从而得到各处裂纹所需修补液容积.２．４㊀修补液空腔结构设计从对结构影响最小的角度出发,同时考虑到f o r m 打印机对无支撑结构的打印精度,本文将存储修补液的内腔结构设计为能够完成打印的最小尺寸,即直径为２mm 的空心球体,球体体积为４．２mm ３.对于图９中所示的结构裂纹p ,已计算得出该裂纹的体积为３２．１mm ３,因此,可确定该处放置球体的数量为８,将其均匀排布在整个内腔壁中,并沿结构宽度方向连续排列.为保证结构强度以及确保液态树脂因重力作用自上而下流进裂纹,最终设计的空腔球体位置如图１２a 所示,其位置经过裂纹且处于内腔壁正中间.同理,计算出各处空心球体的数量,并设计对应空心球体的几何位置,将其均匀分布在结构的内腔壁中,如图１２b ㊁图１２c 所示.２．５㊀修补液空腔结构对夹芯结构板力学性能的影响为分析设计的空腔结构对夹芯结构板力学性能的影响,分别对开设修补液空腔结构的夹芯板和原结构进行有限元力学性能的分析与对比,利用W o r k b e n c h 静力学模块建立两结构的有限元模型.图１３a 所示为原结构,六面体网格尺寸为０．７m m ,网格数量为１５４６８６,节点数量为６９２４６５.图１３b 所示为开设修补液空腔结构,模型为四面体网格,尺寸为０．７mm .其中包含了１１７６８４６个单元,１６６９２２４个节点.边界条件为模型底面固定支撑,上表面中间施加向下的线位移载荷,采用增加子步数逐步施加载荷,自动载荷步长的加载方法.(a)球型空腔位置(b)正面(c)侧面图１２㊀球型空腔设计F i g ．１２㊀S p h e r i c a l c a v i t y d e s i gn (a )原结构(b)开设空腔结构图１３㊀有限元结构模型F i g．１３㊀F i n i t e e l e m e n tm o d e l 计算结果如图１４a 与图１４b 所示,原结构与开设空腔的结构内腔壁的四个边角处等效应力最大,分别为７７．５０９M P a 和７３．１３１M P a .由图１４c可知,设计的空心球体在结构中无明显应力集中现象.同时由图１４d 两结构的载荷位移曲线可８４１ 中国机械工程第３５卷第１期２０２４年１月见,两结构在初始的线弹性阶段以及后续的塑性变形阶段变化趋势一致,差异性很小.由此可见开设的修补液空腔结构对原结构力学性能影响很小.(a)原结构应力云图(b)开设空腔结构应力云图(c)空腔有限元仿真截面(d)载荷位移曲线图１４㊀力学性能对比F i g ．１４㊀C o m p a r i s o no fm e c h a n i c a l p r o pe r t i e s ３㊀夹芯板结构自修复性的实现及修复性能检验３．１㊀样件制备仿生夹芯板结构采用光固化成形技术制备而成,该技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的.在液槽中盛满液态光固化树脂,这种液态材料在一定波长和强度的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大,材料也从液态转变成固态.利用f o r m 打印机制备所设计的自修复结构,制备时该打印机自上而下进行打印,成形面置于液态树脂液面下方,而树脂下方有激光通过偏振镜扫描液态树脂,扫描处的树脂会进行固化,升降台逐步上升,样件逐步完成打印并从液态树脂中出现,缓慢上升.打印过程中,控制成形面一直位于液面下２mm 处,确保在虹吸作用下将液态树脂封存在空腔结构中.通过这种方法,制备出具有自修复性能的夹芯板结构如图１５所示,由局部放大图可见,结构内布满了球型修补液腔.图１５㊀样件展示F i g ．１５㊀S a m p l e d i s p l a y３．２㊀修复后力学性能测试实验采用微机控制电子万能试验机.实验时,将无修补液空腔的结构试样１放于试验台中间,压头以２mm /m i n 的速度向下压缩,如图１６a 所示.当结构两侧内腔壁完全断裂失去承重能力时结束实验,如图１６b 所示,导出并保存载荷与位移数据,作为原结构的力学性能数据.(a)实验前(b)实验后图１６㊀样件１压缩实验F i g ．１６㊀S a m p l e １C o m p r e s s i o n e x pe r i m e n t 将具有自修复性能的结构试样２置于试验台中间,实验步骤同上.当压头不断向下加载时,结构内腔壁出现裂纹,如图１７a 所示,由局部放大图可见,内腔壁外侧有少量液态树脂较为均匀地溢出,最边缘的球形空腔到内腔壁外侧的距离与球形空腔之间的距离相等,则相邻球型空腔中的树脂向左右两侧渗透时能够完成交汇,而内腔壁内侧的修补液在重力作用下流出,但并不均匀,球形空腔正下方的树脂量较两边会多一些,最两端边角还会存在小部分树脂触及不到的区域.为避免裂纹进一步扩展,对试样２进行卸载,利用波长为４０５n m ㊁功率为２０W 的紫外光照射出现裂纹的结构试样,如图１７b 所示,等待３０m i n 后,液态树脂完全固化,修复完成.图１７c 所示为自修复后９４１ 基于增材制造技术的自修复结构设计及修复性能研究张㊀镇㊀郭㊀策㊀胡财吉等的结构,由局部放大图可见,裂纹被修复的外观效果较为理想.对修复后的试样进行加载实验,实验过程如图１７d ~图１７f 所示,当两侧内腔壁完全断裂㊁失去承压能力时,实验结束.同时,对实验结束的样件进行观测,如图１８所示,从内腔壁断裂处可见多个半球形的微型凹坑,以及没有完全溢出而被固化的液态树脂,证明了该工艺与结构设计的可行性.(a )样件出现裂纹,修复液溢出㊀㊀㊀(b)光固化处理(c)样件修复效果展示㊀(d )压缩开始㊀㊀(e )出现裂纹㊀㊀(f)结构断裂图１７㊀样件２实验过程F i g ．１７㊀S a m p l e ２e x p e r i m e n t a l pr o c e d u re 图１８㊀球型空腔断面F i g ．１８㊀S p h e r i c a l c a v i t ypr o f i l e 制备具有自修复性能的结构试样３和４,重复试样２的实验过程.实验得到的载荷位移曲线如图１９所示,由图可见,原结构的极限载荷为１６k N ,当两侧内腔壁完全断裂时,承载能力下降到１２k N .而修复后的结构试样２㊁３和４在同样的加载方式下,极限载荷分别可达到１４．１k N ㊁１３．２k N 和１３．８k N ,取三次实验结果均值为１３．７k N ,约为原结构极限载荷的８５．６％,当到达极限载荷后,两侧内腔壁完全断裂,其承载能力分别降低到１１．６k N ㊁１１．２k N 和１１．６k N .由此可见,该结构的自我修复性能较为理想.图１９㊀修复前后载荷位移曲线图F i g ．１９㊀L o a d Ｇd i s p l a c e m e n t d i a gr a m ４㊀结论(１)以仿甲虫鞘翅夹芯板结构为研究对象,根据其断裂位置和裂纹形态,提出一种新的裂纹三维空间体积估算方法,通过对裂纹尖端塑性区张开位移的计算公式进行变换,以及裂纹强度因子的计算,估算出结构中裂纹贯穿时的最大三维体积.(２)设计了一种用于存储修补液的空腔结构,通过光敏树脂３D 打印技术和光固化技术,实现了结构的自修复性能,并通过实验证明,该结构在修复后抗压性能恢复到原结构的８５．６％,达到理想的修复效果.参考文献:[１]㊀S U NJ ,L I UC ,D U H ,e t a l ．D e s i gn o f a B i o n i cA v i a Ｇt i o n M a t e r i a lB a s e do nt h e M i c r o s t r u c t u r eo fB e e t l e s E l yt r a [J ]．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f H e a ta n d M a s s T r a n s f e r ,２０１７,１１４:６２Ｇ７２．[２]㊀C A I Z ,L I Z ,D I N G Y ,e t a l ．P r e p a r a t i o na n d I m pa c t R e s i s t a n c eP e r f o r m a n c eo fB i o n i cS a n d w i c h S t r u c t u r eI n s p i r e d f r o mB e e t l eF o r e w i n g [J ]．C o m po s i t e sP a r tB :E n g i n e e r i n g,２０１９,１６１:４９０Ｇ５０１．[３]㊀杨志贤,戴振东,郭策．东方龙虱鞘翅:形态学及力学性能研究[J ]．科学通报,２００９,５４(１２):１７６７Ｇ１７７２．Y A N GZ h i x i a n ,D A I Z h e n d o n g ,G U OC e ．M o r p h o l o g y a n dM e c h a n i c a l P r o p e r t i e so fC y b i s t e rE l y t r a [J ]．C h i Ｇn e s e S c i e n c eB u l l e t i n ,２００９,５４(１２):１７６７Ｇ１７７２．[４]㊀周怡,郭策,朱春生,等．具有层状纤维缠绕的仿甲虫鞘翅轻质结构的设计及其力学性能分析[J ]．中国机械工程,２０１１,２２(１６):１９６９Ｇ１９７３．Z H U O Y i ,G U OC e ,Z H U C h u n s h e n ,e t a l ．S t u d y on D e s i g n a n d M e c h a n i c sP r o p e r t i e so fB e e t l e sE l yt r a Ｇi n Ｇs p i r e dL i g h t w e i g h tS t r u c t u r e s w i t h F i l a m e n t W i n d i n g[J ]．C h i n a M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,２０１１,２２(１６):１９６９Ｇ１９７３．[５]㊀杨雪勤,张骁骅．航空航天用复合材料的无损检测和０５１ 中国机械工程第３５卷第１期２０２４年１月自修复研究进展[J]．纺织导报,２０１８(增刊１):９２Ｇ９８．Y A N GX u e q i n,Z H A N GX i a o h u a．P r o g r e s s i nN o nＧd eＧs t r u c t i v eT e s t i n g a n dS e l fＧh e a l i n g o f C o m p o s i t eM a t e r iＧa l s i nt h eA e r o s p a c eF i e l d[J]．C h i n aT e x t i l e L e a d e r,２０１８(S１):９２Ｇ９８．[６]㊀A Y E L E R U O O,O L U B A M B IP A．C o n c e p t o fS e l fＧh e a l i n g i n P o l y m e r i c M a t e r i a l s[J]．M a t e r i a l s T o d a y:P r o c e e d i n g s,２０２２,６２:S１５８ＧS１６２．[７]㊀张仲,吕晓仁,于鹤龙,等．智能自修复材料研究进展[J]．材料导报,２０２２,３６(７):２４１Ｇ２４８．Z H A N GZ h o n g,L Y U X i a o r e n,Y U H e l o n g,e t a l．R eＧs e a r c hP r o g r e s s o f I n t e l l i g e n t S e l fＧh e a l i n g M a t e r i a l s[J]．M a t e r i a l sR e p o r t s,２０２２,３６(７):２４１Ｇ２４８．[８]㊀D A V A M I K,M O H S E N I Z A D E H M,M I T C H A M M,e ta l．A d d i t i v e l y M a n uf a c t u r e dS e l fＧh e a l i ng S t r u c t u r e sw i t hE m b e d d e dH e a l i n g A g e n t R e s e r v o i r s[J]．S c i e n t i f i cR e p o r t s,２０１９,９(１):１Ｇ８．[９]㊀H O N ET,M Y L O M,S P E C KO,e t a l．F a i l u r eM e c h aＧn i s m s a n dB e n d i n g S t r e n g t ho f F u c h s i aM a g e l l a n i c a v a rG r a c i l i sS t e m s[J]．J o u r n a lo f t h eR o y a lS o c i e t y I n t e rＧf a c e,２０２１,１８(１７５):２０２０１０２３．[１０]㊀G U A D A G N OL,R A I M O N D O M,I A N N U Z Z O G,e t a l．S e l fＧh e a l i n g S t r u c t u r e s i nA e r o s p a c eA p p l i c a t i o n s[J]．A I PC o n f e r e n c eP r o c e e d i n g s,I n t e r n a t i o n a lC o nＧf e r e n c e o nT i m e s o f P o l y m e r s(t o p)a n dC o m p o s i t e s,２０１０,１２５５(１):２６７Ｇ２６９．[１１]㊀L I Z,D ES o u z aLR,L I T I N AC,e t a l．AN o v e l B i oＧm i m e t i cD e s i g no fa３D V a s c u l a rS t r u c t u r ef o rS e l fＧh e a l i n g i nC e m e n t i t i o u sM a t e r i a l sU s i n g M u r r a y s L a w[J]．M a t e r i a l s&D e s i g n,２０２０,１９０:１０８５７２．[１２]㊀沈令斌．基于智能结构仿生自修复的多功能液芯光纤关键技术研究[D]．南京:南京航空航天大学,２０１７．S H E N GL i n g b i n．K e y T e c h n i q u e sR e s e a r c ho n M u l t iＧf u n c t i o n a lL i q u i dＧc o r e O p t i c a lF i b e rB a s e do nB i o n i cS e l fＧr e p a i r i n g o fI n t e l l i g e n tS t r u c t u r e s[D]．N a n j i n g:N a n j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c sa n d A s t r o n a u t i c s,２０１７．[１３]㊀L I P,D UY,L I UG,e t a l．L i g h t S e l fＧh e a l i n g o f R e sＧi nM a t r i xC o m p o s i t e sB a s e do nP i p eN e t w o r kC a r r i e r[J]．M a t e r i a l sL e t t e r s,２０２１,２８８:１２９３３０．[１４]㊀马玉秋,郭策,陈光明,等．仿生轻质高强韧夹芯结构设计及其韧性性能分析[J]．机械科学与技术,２０２２,４１(５):８０１Ｇ８０７．M AY u q i u,G U OC e,C H E NG u a n g m i n g,e t a l．D eＧs i g na n d T o u g h n e s s A n a l y s i so fB i o n i c L i g h t w e i g h tS a n d w i c hS t r u c t u r e w i t h H i g hS t r e n g t ha n d T o u g hＧn e s s[J]．M e c h a n i c a l S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y f o rA e r oＧs p a c eE n g i n e e r i n g,２０２２,４１(５):８０１Ｇ８０７．[１５]㊀G U OC e,S O N G W,D A I Z h e n g d o n g．S t r u c t u r a lD eＧs i g nI n s p i r e d b y B e e t l e E l y t r a a n dI t s M e c h a n i c a lP r o p e r t i e s[J]．C h i n e s eS c i e n c eB u l l e t i n,２０１２,５７(８):９４１Ｇ９４７．[１６]㊀李冬．基于碳纤维仿甲虫鞘翅结构的设计㊁制备及力学性能研究[D]．南京:南京航空航天大学,２０１３．L I D o n g．D e s i g n,M a n u f a c t u r e o f E p o x y/C E R PL i g h t w e i g h tS t r u c t u r eI n s p i r e db y B e e t l eE l y t r aa n dI t sM e c h a n i c a lP r o p e r t i e s[D]．N a n j i n g:N a n j i n g U n iＧv e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s,２０１３．[１７]㊀付吉灿．智能自修复材料[J]．印刷质量与标准化,２０１４(５):１０Ｇ１３．F UJ i c a n．I n t e l l i g e n t S e l fＧh e a l i n g M a t e r i a l s[J]．P r i n tＧi n g Q u a l i t y&S t a n d a r d i z a t i o n,２０１４(５):１０Ｇ１３．[１８]㊀李亚．理想弹塑性材料有限宽裂纹板D u g d a l e模型塑性区及裂尖张开位移分析[D]．重庆:重庆交通大学,２０２１．L IY a．A n a l y s i so nt h eC r a c k T i p P l a s t i cZ o n ea n dO p e n i n g D i s p l a c e m e n t o fF i n i t eＧw i d t hP l a t eB a s e do nD u g d a l eM o d e l i na nE l a s t i cＧp e r f e c t l y P l a s t i cM a t e r i a l[D]．C h o n g q i n g:C h o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y,２０２１．[１９]㊀G A O W,X I A O T,W A N G X,e ta l．T h e o r e t i c a l S t u d y o nE x t e n s i o n o fC r a c kT i p P l a s t i cZ o n eb y R eＧm o t e S i m p l eT e n s i l eC o n s i d e r i n g C r a c k I n t e r a c t i o n[J]．E u r o p e a n J o u r n a l o fM e c h a n i c s A/S o l i d s,２０１９,７７:１０３８１４．[２０]㊀刘宗庆．裂纹张开位移和断裂准则[J]．郑州轻工业学院学报,１９９１,６(４):４４Ｇ４８．L I UZ o n g q i n．C r a c kO p e n i n g D i s p l a c e m e n t a n dF r a cＧt u r eC r i t e r i a[J]．J o u r n a lo fL i g h tI n d u s t r y,１９９１,６(４):４４Ｇ４８．[２１]㊀李群,欧卓成,陈宜亨．高等断裂力学[M]．北京:科学出版社,２０１７:２８Ｇ３０．L IQ u n,O U Z h u o c h e n,C H E N Y i h e n g．A d v a n c e dF r a c t u r eM e c h a n i c s[M]．B e i j i n g:S c i e n c eP r e s s,２０１７:２８Ｇ３０．[２２]㊀王永亮．基于W o r k b e n c h的表面裂纹应力强度因子的对比分析[J]．化工装备技术,２０２１,４２(２):２８Ｇ３１．W A N G Y o n g l i a n g．C o m p a r a t i v eA n a l y s i s o f S t r e s s I nＧt e n s i t y F a c t o r s o f S u r f a c e C r a c k s B a s e d o nW o r k b e n c h[J]．C h e m i c a lE q u i p m e n tT e c h n o l o g y,２０２１,４２(２):２８Ｇ３１．[２３]㊀I R W I NGR．A n a l y s i s o f S t r e s s e s a n d S t r a i n sN e a r t h eE n d o f aC r a c kT r a v e r s i n g aP l a t e[J]．J o u r n a l o fA pＧp l i e dM e c h a n i c s,１９５７,２４(３):３６１Ｇ３６４．(编辑㊀王艳丽)作者简介:张㊀镇,男,１９９９年生,硕士研究生.研究方向为仿生结构与材料.EＧm a i l:z h e n z h１９９９＠１６３．c o m.郭㊀策(通信作者),女,１９７１年生,教授㊁博士研究生导师.研究方向为仿生轻质结构. EＧm a i l:g u o z c＠n u a a．e d u．c n.１５１基于增材制造技术的自修复结构设计及修复性能研究 张㊀镇㊀郭㊀策㊀胡财吉等。
《基于仿沙漠甲壳虫水收集材料的制备与性能研究》
《基于仿沙漠甲壳虫水收集材料的制备与性能研究》一、引言随着全球水资源日益紧张，沙漠等干旱地区的水资源收集与利用成为科研领域的热点问题。
仿生学的研究方法为解决这一问题提供了新的思路。
其中，仿沙漠甲壳虫水收集材料因其独特的结构和优异的性能，在干旱环境下的水收集领域展现出巨大的应用潜力。
本文旨在研究基于仿沙漠甲壳虫水收集材料的制备方法及性能，为该材料的实际应用提供理论支持。
二、材料制备1. 材料选择与设计仿沙漠甲壳虫水收集材料的选择与设计是材料制备的关键步骤。
首先，根据甲壳虫的生理结构及水收集特性，选择合适的基材和表面处理剂。
基材应具有良好的机械性能和稳定性，表面处理剂则应具备亲水性和疏水性。
2. 制备工艺本文采用溶胶-凝胶法结合浸渍法进行材料制备。
首先，将基材浸入溶胶中，使其充分吸附溶胶；然后，将浸渍后的基材进行凝胶化处理，形成具有特定结构的凝胶层；最后，通过热处理使凝胶层固化，形成仿沙漠甲壳虫水收集材料。
三、材料性能研究1. 表面形貌分析利用扫描电子显微镜（SEM）对制备的仿沙漠甲壳虫水收集材料进行表面形貌分析。
结果表明，材料表面具有类似甲壳虫体表的微纳结构，这些结构有利于提高材料的亲水性和疏水性。
2. 亲水性与疏水性分析通过接触角测量仪对材料的亲水性与疏水性进行分析。
结果显示，该材料表现出良好的亲水性和疏水性，能够在干旱环境下有效地收集空气中的水分。
3. 水收集性能测试在模拟沙漠环境下，对材料的水收集性能进行测试。
结果表明，该材料在高温、低湿度的环境下仍能有效地收集水分，且具有较好的持久性和稳定性。
四、结论本文成功制备了基于仿沙漠甲壳虫水收集材料，并对其性能进行了深入研究。
结果表明，该材料具有良好的亲水性、疏水性和水收集性能，在干旱环境下的水资源收集领域具有广阔的应用前景。
此外，该材料的制备工艺简单、成本低廉，为实际应用提供了有力的支持。
然而，该材料在实际应用中仍需考虑环境因素、耐久性等问题，后续研究可围绕这些问题展开，以进一步提高材料的性能和实用性。
【CN110102819A】仿蜣螂鞘翅表面的微结构键槽拉刀及其制备方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910355130.X(22)申请日 2019.04.29(71)申请人 杭州电子科技大学地址 310018 浙江省杭州市下沙高教园区2号大街(72)发明人 吕俊杰 俞虹飞 任旭 冯凯 王艺蒙 (74)专利代理机构 杭州君度专利代理事务所(特殊普通合伙) 33240代理人 黄前泽(51)Int.Cl.B23D 43/02(2006.01)B23P 15/42(2006.01)(54)发明名称仿蜣螂鞘翅表面的微结构键槽拉刀及其制备方法(57)摘要本发明公开了仿蜣螂鞘翅表面的微结构键槽拉刀及其制备方法。
现有拉刀拉削过程中前刀面与切屑存在严重挤压、摩擦和磨损。
本发明扫描得到蜣螂鞘翅表面微结构，然后制作单点金刚石刀具在拉刀粗拉区和半精拉区内的每一个刀齿前刀面分别开设m排×n列仿生微结构，仿生微结构由中心倒圆台凹坑和沿中心倒圆台凹坑周向均布的多个边界倒圆台凹坑组成，所有边界倒圆台凹坑的侧壁均与中心倒圆台凹坑的侧壁连通；所有边界倒圆台凹坑的顶面中心均位于中心倒圆台凹坑的顶面边沿所在圆周上。
本发明在拉刀前刀面开设仿生微结构，可以优化拉刀的切削性能，减小切削负载，达到保护刀具、减小拉刀磨损、提高拉刀使用寿命的目的。
权利要求书2页 说明书6页 附图8页CN 110102819 A 2019.08.09C N 110102819A权 利 要 求 书1/2页CN 110102819 A1.仿蜣螂鞘翅表面的微结构键槽拉刀，采用的材料为高速钢，在粗拉区和半精拉区内的每一个刀齿前刀面分别开设m排×n列仿生微结构，m≥2，n≥10，其特征在于：所述的仿生微结构由中心倒圆台凹坑和沿中心倒圆台凹坑周向均布的多个边界倒圆台凹坑组成，所有边界倒圆台凹坑的侧壁均与中心倒圆台凹坑的侧壁连通；所有边界倒圆台凹坑的顶面中心均位于中心倒圆台凹坑的顶面边沿所在圆周上；中心倒圆台凹坑的横截面两条斜边之间的夹角θmax和边界倒圆台凹坑的横截面两条斜边之间的夹角θmin均为90°，中心倒圆台凹坑的底面直径d max和边界倒圆台凹坑的底面直径d min均为0.05mm，中心倒圆台凹坑的高度h max满足0.05mm≤h max≤0.1mm，边界倒圆台凹坑的高度h min满足0.01mm≤h min≤0.05mm。
具有层状纤维缠绕的仿甲虫鞘翅轻质结构的设计及其力学性能分析
１ ０］ 图 ２ 鞘翅纵见， 鞘翅是一种以 Ｓ ＥＭ） 空心纤维束连接 鞘 翅 背 壁 、 腹壁的夹芯层中空轻 这样的结构能有效减轻整个鞘翅的密度 ， 质结构 ， 同时鞘翅几丁质纤维层间的复合材料编织方式有 利于加强鞘翅的 强 度 ， 使鞘翅能充分抵抗外界的 从而保护甲虫躯体和飞行翅 。 不利因素 ， １． ２ 仿鞘翅轻质结构的设计 笔者根据东 方 龙 虱 鞘 翅 的 断 面 微 结 构 特 点 ， 进行了仿鞘翅轻质结构设计 ， 在设计过程中 ， 由于 东方龙虱鞘翅的 纤 维 层 具 有 一 定 的 复 杂 性 ， 并且 分布并不均匀 ， 因此需对设计的结构进行合理的 简化 。 通过对鞘翅结 构 的 观 察 和 分 析 ， 发现鞘翅中 主要减轻重量的部分是鞘翅内的圆形或椭圆形的 空腔以及空腔之 间 的 小 柱 孔 ， 而层状分布的几丁 且 质纤维层主要起 到 提 高 鞘 翅 力 学 性 能 的 作 用 ， 是缠绕出孔洞结构的主要成分 。 因此在设计过程
翅由 背 壁 层 、 腹壁层和中空夹芯层构成， 背 壁 层、 腹壁层之 间 由 桥 墩 状 纤 维 组 织 空 心 柱 体 结 构 连 接， 以提高其力学性能 。 本文以东方龙 虱 的 鞘 翅 为 主 要 研 究 对 象 ， 通 过对鞘翅断面微 结 构 做 扫 描 电 镜 观 测 ， 分析了鞘 翅的微观结构特征 。 设计了具有层状纤维缠绕的 仿甲 虫 鞘 翅 结 构 ， 并 利 用 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 得到了该结构的三种 １ ０． ０对 其 进 行 有 限 元 分 析 ， 力学特性曲线 ， 并与无纤维缠绕的结构进行了比 较 。 同时制备出了具有碳纤维缠绕的仿鞘翅结构 并 进 行 了 准 静 态 压 缩 实 验。将 实 复合材料模 型 ， 验结果与有限元 分 析 结 果 进 行 比 较 ， 证明了有限 元分析结果 的 正 确 性 和 可 靠 性 。 在 此 基 础 上 ， 进 一步分析了不同纤维缠绕模式的结构力学特性 。
仿甲虫飞行器
仿甲虫飞行器
佚名
【期刊名称】《发明与创新：大科技》
【年(卷),期】2009()12
【摘要】海口市一位普通市民利用甲壳虫飞行的原理，发明了一种离心式风轮飞机，比直升机具备更多的优点。
这种新式飞行器的风轮产生风力，机翼阻拦向上的风力产生升力，通过调整机翼改变升力方向，从而控制飞行。
它看上去与直升飞机十分近似，只是用风轮替代了传统的螺旋桨。
风轮飞机的风轮和直升机螺旋桨都是产生风力的结构，但螺旋桨产生的风力是直线的，
【总页数】1页(P54-54)
【关键词】飞行器;直升飞机;甲虫;螺旋桨;风轮;风力;甲壳虫;海口市
【正文语种】中文
【中图分类】V275.3;V275.1
【相关文献】
1.自动气囊安全带/仿甲虫飞行器/新型"铲勺" [J],
2.三角翼飞行器防治草原叶甲虫的效果分析 [J], 张小侠;张立龙;张希山
3.仿甲虫鞘翅轻质结构及其参数优化设计 [J], 郭策;江小婷;邹稳蓬;王笑春
4.仿甲虫鞘翅轻质结构的力学性能研究 [J], 宋文伟;郭策;马岩;张晓玉;戴振东
5.具有层状纤维缠绕的仿甲虫鞘翅轻质结构的设计及其力学性能分析 [J], 周怡;郭策;朱春生;戴振东
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仿生轻质高强韧夹芯结构设计及其韧性性能分析
仿生轻质高强韧夹芯结构设计及其韧性性能分析
马玉秋;郭策;陈光明;戴宁;管吉钢;何湘鹏
【期刊名称】《机械科学与技术》
【年(卷),期】2022(41)5
【摘要】复合材料轻质夹芯结构因其优异的力学性能被广泛应用于航空航天领域。
本文在对白星花金龟鞘翅断面形貌观测的基础上,根据鞘翅表皮层中纤维铺排方式
以及微观结构特征设计了仿鞘翅轻质高韧夹芯结构。
并利用有限元法对复合材料双螺旋铺层面板以及仿生鞘翅夹芯结构进行三点弯曲力学性能分析,对结构韧性进行
分析和评价;进一步对夹芯结构进行承压性能分析。
结果表明与传统蜂窝夹芯结构
相比,所设计的仿鞘翅复合材料夹芯结构具有更优异的韧性,且与蜂窝夹芯结构承压能力相当。
该研究对新型轻质高强高韧复合材料结构设计具有一定的参考和指导意义。
【总页数】7页(P801-807)
【作者】马玉秋;郭策;陈光明;戴宁;管吉钢;何湘鹏
【作者单位】南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所;南京航空航天大学机
电学院;南京航空航天大学航天学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG156
【相关文献】
1.强韧型高铬铸铁的强韧性机理,性能及其应用价值
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（ 1 Institute of Bio-inspired Structure and Surface Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016； 2 National Research Center for Rehabilitation Technical Aids，Beijing 100721）
DOI:10.13433/ki.1003-8728.2010.10.013
2010 年 10 月 第 29 卷 第 10 期
机械科学与技术 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering
October 2010 Vol． 29 No． 10
图 1 鞘 翅 横 向 断 面 微 结 构［14］
东方龙虱鞘翅的纵断面微结构如图 2 所示，同横 向截面结构 一 样，纵 向 截 面 也 是 由 背 壁、腹 壁、内 部 圆 形或椭圆形的空腔以及空腔结构之间的小柱孔结构构 成，这说明鞘翅的结构在不同方向上是同一的。
1 鞘翅的力学性能优势
鞘翅是自然界中存在的典型的轻质型生物材 料，它 的 密 度 小、弹 性 好、性 能 稳 定。 经 测 定 鞘 翅 的 占空比（ 空腔面积除以鞘翅面积） 约为 22% ； 鞘翅的 密度为 0. 80 g / cm3 ～ 0. 89 g / cm3 ； 硬度为 0. 15 GPa ～ 0. 50 GPa； 弹性模 量 为 4. 5 GPa ～ 9. 0 GPa［8］。 同 时鞘翅的强度高，新 鲜 的 东 方 龙 虱 鞘 翅 的 横 向 的 拉 伸强度为 169. 2 MPa ± 22. 5 MPa，纵 向 的 拉 伸 强 度 为 194. 5 MPa ± 23. 4 MPa［13］，按 比 强 度 计 算，鞘 翅 的比强度比钢材的比强度高出 3 ～ 4 倍。结构决定 了力学性能，因此很 有 必 要 对 鞘 翅 的 微 结 构 进 行 分 析，了 解 鞘 翅 微 结 构 的 特 点，并 进 行 仿 生 结 构 的 设计。
2 鞘翅微观结构 东方 龙 虱 鞘 翅 横 断 面 的 微 结 构 如 图 1 所 示，鞘
翅背壁层的最外层是一层厚约 12 μm 的黑色的蜡质 层（ 图 1 中的 EP） ，紧 接 蜡 质 层 下 面 是 由 10 多 层 厚 约 2 μm 的几丁质纤维层同向铺设而成（ 图 1 中的 FL） ，构成鞘翅的背壁和 腹 壁 结 构，在 鞘 翅 内 沿 断 面 排列着直径为 80 μm ～ 95 μm 的圆形或椭圆形的空 腔（ 图 1 中 的 HS） ，空 腔 之 间 间 隔 250 μm 左 右，这 样的结构能有效地减轻整个鞘翅的重量； 同时每两 个空腔之间还存在着垂直上下表面的小柱孔（ 图 1 中的 H） ，小柱孔的孔径约为 30 μm ～ 40 μm。
甲虫 是 自 然 界 中 非 常 庞 大 的 一 个 种 群，它 们 的 前翅在进化过程中慢慢地蜕变为具有高强度及断裂 韧性的鞘 翅［6］，用 来 保 护 甲 虫 的 身 体，防 止 体 内 水 分蒸发，抵抗外 来 压 力 的 冲 击 等。 鞘 翅 具 有 高 的 强 度 和 韧 性 、各 向 异 性 、自 愈 合 性 和 良 好 的 功 能 适 应 性 等特点，因此其成为 了 航 空 航 天 领 域 和 深 空 探 测 方 面 轻ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ质 、可 靠 、高 效 、节 能 、易 于 控 制 的 空 间 飞 行 器 零 部 件 的 几 何 设 计 和 材 料 优 化 的 良 好 的 仿 生 对 象［7］ 。
图 2 鞘 翅 纵 向 断 面 微 结 构［14］
3 仿鞘翅轻质结构 从上述对东方龙虱鞘翅的断面微结构观察和分
析的结果出发，进 行 了 仿 鞘 翅 轻 质 结 构 的 设 计。 由 于生物体的复杂性，很 难 而 且 也 没 有 必 要 完 全 原 封 不 动 地 照 搬 生 物 模 型 ，应 进 行 合 理 简 化 。
1378
机械科学与技术
第 29 卷
通过 对 鞘 翅 微 结 构 的 观 察 和 分 析，发 现 鞘 翅 内 的圆形或椭圆形的空腔以及空腔之间的小柱孔是鞘 翅最主要的减重结 构，所 以 笔 者 主 要 以 此 来 进 行 仿 鞘翅轻质结构设计。通过对单一方向鞘翅结构的模 拟，设计了仿生结构Ⅰ，如图 3（ a） 所示，主要由圆形 通孔与垂直于表面 的 小 柱 孔 组 成，考 虑 到 建 模 与 实 际制造的方便将所有的通孔与小柱孔的孔径统一。
关 键 词： 鞘翅； 微观结构； 结构仿生； 有限元分析
中图分类号： TB17； TH122
文献标识码： A
文章编号： 1003-8728（ 2010） 10-1376-04
Mechanical Properties of Beetle's Elytra-inspired Lightweight Structures
笔者 以 东 方 龙 虱 的 鞘 翅 为 主 要 的 研 究 对 象，通 过对鞘翅断面的微 结 构 观 察，分 析 了 鞘 翅 的 微 观 结 构。在此基础上设计了 3 种仿鞘翅轻质结构模型， 并利用 Ansys Workbench 10. 0 对 3 种结构的压缩力 学性能进行有限元数值分析，给出 3 种结构的载荷位移曲线，比较了 3 种结构的比刚度、比强度。同时 利用三维打印机制 造 出 了 仿 鞘 翅 结 构 模 型，进 行 准 静态压缩实验，将实 验 结 果 与 有 限 元 分 析 结 果 进 行 了 比 较 ，证 明 了 有 限 元 分 析 结 果 的 正 确 性 和 可 靠 性 。
Abstract： Based on the microstructure of the cross section of the beetle' s elytra，three bio-inspired lightweight structures were designed． The compressive mechanical properties of three lightweight structures were studied with finite element method． The compressive load-displacement curves of the three structures were obtained． Also，the specific strength and specific stiffness of the three structures were compared． In addition，quasi-static compression experiments on the structure models which were fabricated by rapid prototyping were carried out． The experimental results and the finite element analysis results were compared and analyzed，which proved the effectiveness of the finite element analysis． Key words： elytra； microstructure； bio-inspired structure； finite element analysis
收稿日期： 2009 -09 -10 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 30770285） ，江苏省自然科学基金项
目（ BK2009376） 和航空基金项目（ 2007ZA52008） 资助 作者简介： 宋文伟 （ 1985 － ） ，硕士研究生，研究方向为仿生轻质结构
设计与分析，sww1985 @ yahoo． com． cn； 郭 策 （ 联 系 人 ） ， 教授，博士后，guozc@ nuaa． edu． cn
同时 考 虑 纵 向 与 横 向 断 面 微 结 构 是 相 似 的，因 此设想鞘翅的微结构更接近于内部由许多球形的空
腔构成，每两空腔之 间 有 一 垂 直 于 上 下 表 面 的 小 柱 孔，由此建立了仿生结构Ⅱ，如图 3（ b） 所示，主 要由 相同直径的空心球与垂直于表面的小柱孔组成。
自然界中的生物体经过几千万年甚至数亿年的 生存竞争和自然选 择，形 成 了 许 多 独 有 的 特 点 和 优 势。其为适 应 环 境 和 功 能 需 求 而 进 化 的 复 杂 微 结 构 ，优 异 的 强 韧 性 、功 能 适 应 性 和 损 伤 自 愈 合 等 能 力 是传统 材 料 所 无 法 比 拟 的［1］。 随 着 高 新 技 术 产 业 的飞速发展，越来越 多 地 要 求 科 学 家 们 设 计 出 既 具 有高的强度和刚 度，又 轻 质 节 省 的 结 构。 而 传 统 的 结构和材料已无法 实 现 这 一 要 求，因 此 科 学 家 们 将 目光投向具有这类 性 能 的 生 物 体，希 望 通 过 对 生 物 体结构的研究来得到设计的灵感。并且科学家们已 经在一定程度上利用生物体的结构启示制造出了多
构模型。利用有限元法对三种结构进 行 压 缩 力 学 性 能 分 析，得 出 三 种 结 构 的 载 荷-位 移 曲 线，并 比
较 了 三 种 结 构 的 比 刚 度 、比 强 度 值 。 同 时 制 造 出 了 结 构 模 型 进 行 了 准 静 态 压 缩 实 验 ，将 实 验 结 果 与
有 限 元 分 析 结 果 进 行 了 比 较 ，证 明 了 有 限 元 分 析 结 果 的 有 效 性 。
仿甲虫鞘翅轻质结构的力学性能研究
宋文伟
宋文伟1 ，郭 策1 ，马 岩2 ，张晓玉2 ，戴振东1