【摘要】：甲蟲前翅(又稱“鞘翅”)是一種典型的三明治夾層板結(jié)構(gòu),具有優(yōu)化程度高和輕質(zhì)高強(qiáng)的特征。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此輕量化結(jié)構(gòu)展開了長期研究并提出了相應(yīng)的仿生模型,但至今未能解釋甲蟲前翅小柱結(jié)構(gòu)本身只把承載力強(qiáng)的纖維布置在外層,而芯層則填充蛋白質(zhì)的物質(zhì)組成原因,也未能探明甲蟲前翅中小柱-蜂窩芯層結(jié)構(gòu)的作用。因此,為解決上述問題并進(jìn)一步開發(fā)輕質(zhì)高強(qiáng)仿生結(jié)構(gòu),本文首先從力學(xué)角度定性解釋了上述小柱的物質(zhì)組成原因,并預(yù)測以空心小柱-蜂窩結(jié)構(gòu)為芯的甲蟲板(甲蟲前翅結(jié)構(gòu)仿生夾層板,以下簡稱甲蟲板)擁有卓越的力學(xué)性能;首次用以“甲蟲板”概念和蜂窩板作的直接對(duì)比分析證實(shí)了上述預(yù)測,并考察了小柱結(jié)構(gòu)對(duì)甲蟲板芯層變形形式和抗壓性能的增強(qiáng)機(jī)理及其相應(yīng)的生物功能。然后通過討論甲蟲板中單元蜂窩小柱數(shù)(N)對(duì)其壓縮性能的影響規(guī)律,闡明了上述甲蟲板的仿生過程,并結(jié)合甲蟲前翅的生物結(jié)構(gòu)明確給出甲蟲板定義;通過改變小柱半徑,在前述小柱增強(qiáng)機(jī)理的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出甲蟲板中小柱-蜂窩芯層結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)制,為甲蟲板力學(xué)性能的優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。最后針對(duì)不同材料甲蟲板力學(xué)的穩(wěn)定性進(jìn)行探究,并對(duì)其芯層基本單元結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能展開初步探索,為甲蟲板等效模型的建立提供思路。主要結(jié)論如下:(1)本文提出了甲蟲前翅小柱結(jié)構(gòu)的共享機(jī)制,并通過夾層板平面外壓縮實(shí)驗(yàn)證實(shí)該小柱共享機(jī)制可約束蜂窩壁的屈曲變形,從而使得甲蟲板的抗壓強(qiáng)度、變形能力和耗能能力都顯著高于傳統(tǒng)蜂窩板。究其原因,在平面外壓縮荷載作用下,蜂窩板中蜂窩壁交匯處的三角形柱以扭轉(zhuǎn)變形為主,和蜂窩壁都產(chǎn)生一個(gè)半波的凸曲變形;而甲蟲板中的閉口空心小柱結(jié)構(gòu)具有較大的抗扭剛度,可避免扭轉(zhuǎn)破壞,并和蜂窩壁均以產(chǎn)生三個(gè)半波的凸曲變形為主,從而有效提高甲蟲板抗壓強(qiáng)度及變形耗能能力。并且,通過改變?nèi)N結(jié)構(gòu)參數(shù)考察了甲蟲板芯層單元尺寸對(duì)其壓縮和耗能性能的影響規(guī)律,結(jié)果表明甲蟲板可在材料成本不變的情況下,通過設(shè)置小柱結(jié)構(gòu)以提升其力學(xué)性能。據(jù)此本文探明了甲蟲前翅生物結(jié)構(gòu)與其功能之間的本質(zhì)關(guān)系:甲蟲前翅通過形成輕質(zhì)高強(qiáng)且具有優(yōu)秀耗能能力的三明治夾層板結(jié)構(gòu)構(gòu)成了甲蟲應(yīng)對(duì)自然和天敵的重要防御體系。(2)隨著芯層蜂窩單元中小柱數(shù)(N)的增加,在N小于等于3時(shí)甲蟲板抗壓強(qiáng)度快速提升;當(dāng)N等于4至6時(shí),其應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始出現(xiàn)平臺(tái)段,變形耗能能力顯著提升,并在N為6時(shí)具有最佳的抗壓性能。據(jù)此,本文不僅說明了上述甲蟲板的仿生過程及其模型設(shè)計(jì)的合理性,同時(shí)也為實(shí)際工程中甲蟲板小柱結(jié)構(gòu)的分布形式提供設(shè)計(jì)依據(jù)。究其原因,甲蟲板的空心小柱-蜂窩結(jié)構(gòu)存在相互作用機(jī)制,即除了小柱約束蜂窩壁的凸曲變形外,反之,蜂窩壁也為小柱提供側(cè)向支撐。當(dāng)N等于6且小柱外徑等于蜂窩壁長度時(shí),上述相互作用機(jī)制可充分發(fā)揮,使得空心小柱-蜂窩芯層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生S型的整體屈曲變形,因而此時(shí)的甲蟲板具有最佳的抗壓性能。在此基礎(chǔ)上,本文結(jié)合獨(dú)角仙和鍬形蟲前翅的生物結(jié)構(gòu),給出了甲蟲板定義:只要芯層結(jié)構(gòu)中存在小柱的三明治夾層板結(jié)構(gòu)即為甲蟲板,無論小柱是否空心或位于蜂窩壁何處,也無論是否具有蜂窩壁。(3)金屬甲蟲板芯層的蜂窩壁及其交匯處的小柱結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下以S型屈曲變形為主,該現(xiàn)象與上述樹脂材料甲蟲板變形情況一致,說明甲蟲板基于不同材料可保持其力學(xué)特性。并且,金屬蜂窩板的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線只有上升和下降兩個(gè)階段。相比之下,金屬甲蟲板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與材料本身的三個(gè)階段(上升、平臺(tái)、下降)具有高度一致性。特別是甲蟲板曲線中屈服平臺(tái)的出現(xiàn),可充分發(fā)揮金屬材料的延性,并具備良好的彈塑性變形能力。此外,基于三明治夾層板等效理論,本文以小柱結(jié)構(gòu)為特征,明確提出甲蟲板芯層結(jié)構(gòu)的基本單元及其特點(diǎn),且實(shí)驗(yàn)證實(shí)所選取的基本單元幾乎不改變小柱結(jié)構(gòu)本身平面內(nèi)約束條件,因而具有較高的獨(dú)立性和力學(xué)穩(wěn)定性,其達(dá)到抗壓強(qiáng)度后的屈服平臺(tái)以及屈曲后強(qiáng)度變化趨勢與整體芯層結(jié)構(gòu)壓縮性能也具有較高的一致性,為甲蟲板及其小柱-蜂窩芯層結(jié)構(gòu)等效模型的建立提供思路。
【圖文】：

層為高承載力的纖維結(jié)構(gòu)，而芯層則由幾乎無承載能力的蛋白質(zhì)構(gòu)成（圖 1-柱中的纖維以螺旋線或直線等方式（圖 1-2c,d）巧妙地與上，，下層中的纖維連。這種連接方式連續(xù)且有機(jī)地遍布在以百或千為單位的小柱之間，同時(shí)具有天結(jié)構(gòu)（圖 1-1c）。需要注意的是，甲蟲前翅中的小柱結(jié)構(gòu)在 KOH 溶液處理前的實(shí)心柱（包含外層的纖維和內(nèi)部蛋白質(zhì)），而處理后則因蛋白質(zhì)被 KOH 強(qiáng)堿[27]

1-2 甲蟲前翅小柱結(jié)構(gòu)及其模型[107]。（a）甲蟲前翅小柱結(jié)構(gòu)；（b）簡易模型；（c,d小柱結(jié)構(gòu)與上下面板的連接方式。其中，寬箭頭所指為小柱結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述生物結(jié)構(gòu)，陳錦祥于 2000 年提煉出具有小柱-蜂窩芯層的獨(dú)角仙前翅三易結(jié)構(gòu)模型[108]（圖 1-3a）；2003 年提交的發(fā)明專利中給出了空心小柱-蜂窩芯夾層
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU399

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2706211