独角仙鞘翅微结构及其纳米力学性能

利用SEM对独角仙鞘翅的微结构进行了观测, 并借助纳米压痕仪测试分析了鞘翅的纳米力学性能。SEM试验表明独角仙鞘翅是一种具有拱形空腔的中空轻质生物复合材料, 其断面占空比为26.36%。鞘翅由外表皮和内表皮构成, 而内表皮又通过11~12层纤维层采用45°角正交叠加铺设, 层间辅以许多微纤维丝交叉连接方式编织在一起, 形成层合板结构。试验测得鞘翅外表皮纳米力学性能分别为: 硬度(0.28±0.13) GPa, 弹性模量(5.62±1.21) GPa, 接触刚度 (1.67±0.14)×10⁴ N/m。其纳米力学性能呈现拓扑分布规律, 由头部至尾部区域有增大趋势。试验测试结果为后续研究中设计一种基于独角仙鞘翅的新型轻质仿生结构提供了仿生学模型和理论参考。     

仿甲虫鞘翅轻质结构及其参数优化设计

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。     

四种甲虫鞘翅的力学参数测定及微结构观测

研究了4种甲虫(白星花金龟、 东方龙虱、 独角仙、 毛黄鳃金龟)鞘翅的材料力学参数及其微结构。鞘翅截面微观结构观察表明, 这4种甲虫鞘翅均由鞘翅背壁、 中空夹芯层和鞘翅腹壁构成, 背、 腹壁之间由桥墩状几丁质纤维空心柱体结构连接, 两鞘翅间以凹凸啮合结构联接。用纳米压痕仪测得这4种甲虫鞘翅背壁致密层的弹性模量均值分别为9.08、 8.21、 4.76、 6.00GPa, 硬度分别为0.44、 0.48、 0.18、 0.18GPa。用多功能材料性能实验机测定白星花金龟、 东方龙虱、 独角仙鞘翅之间的联接强度分别为46.43、 7.38、 11.34mN/mm。该研究为轻质结构的设计提供了仿生学基础。      

甲虫鞘翅结构仿生复合材料研究进展

甲虫鞘翅是微细结构高度优化的自然结构复合材料,具有优良的力学性能。对甲虫鞘翅的微细结构和力学行为进行研究并用于复合材料,将对复合材料的开发提供有益的设计思想。本文综述了关于昆虫鞘翅的微细结构、力学行为和仿生复合材料方面的研究现状。     

金龟子外甲壳异型纤维结构分析

运用扫描电镜实验观察了金龟子外甲壳内部的微结构,发现其类似于人造纤维增强复合材料,具有几丁质纤维增强角质化蛋白质基体的结构特征.对其仔细观察发现其中存在非均匀的纤维铺层以及奇特的异型刺状和球形纤维.针对发现的异型刺状纤维结构,建立纤维端头模型,用有限元分析方法对其进行了应力和变形分析,结果表明刺状和球形端头纤维能显著地降低其端头界面剪应力集中现象,提高纤维增强复合材料抵抗变形破坏的能力,增加纤维增强复合材料的强度.分析结果对仿生复合材料的设计具有指导意义.     

“蜂窝-柱子”芯夹层轻量型仿生物复合材料结构

为了设计开发轻量型仿生复合材料, 通过对独角仙前翅内部微细结构及其成因的分析探讨, 提出了一种蜂窝-柱子芯轻量型复合材料的三维结构模型, 并列举了若干可能的设计思路, 同时简述了这种仿生结构的优点及其应用前景。分析结果表明: 独角仙整个前翅内部存在完整的网状-小柱结构, 这种网状结构由气囊构成,呈现出生物界的不规则性、多样化, 但可认为大多为类似于蜂窝状的多边形结构。     

甲虫前翅结构中的优化设计

为了设计开发轻量型仿生复合材料,选择了独角仙和锹形虫两种甲虫前翅为仿生对象,用电子显微镜观察了这两种甲虫前翅结构上的异同,考察了甲虫前翅中的优化设计思路。结果表明: (1) 两种甲虫前翅均采用了以小柱为中空层的夹芯层状结构及框架结构的轻量型设计手法。 (2) 独角仙前翅为一次性式的十分经济的设计方式,而锹形虫则为耐用型设计方式。      

基于甲虫鞘翅的客车八边形仿生多胞薄壁管耐撞性研究

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。     

甲虫前翅中的三维复合材料结构

为了设计开发轻量型仿生复合材料,考察了甲虫独角仙成虫前翅的结构,得到了甲虫前翅及其小柱结构的简易模型。观察结果表明: 独角仙前翅为具有以小柱为中空层的夹芯层状三合板结构,这种结构为一种轻量型的复合材料板材;小柱中的纤维通过大于90°弯曲与上层及下层中的纤维连续相连接,这种结构对层状纤维强化的复合材料可以极其有效地提高层间的抗剥离性能。     

整体中空复合材料有限元模型的建立

采用有限元法对整体中空复合材料进行计算机模拟,利用ANSYS分析软件建立了整体中空复合材料的有限元模型,并模拟了压缩、剪切和弯曲过程中的应力分布情况,为材料的优化设计提供依据.由于其在设计、织造、成型等过程中各类参数的变化,该模型还需根据实际情况不断地调整与修正.     

Mechanical properties of bio-mimetic energy-absorbing materials under impact loading

The elytra can protect the body and hind wings of the beetle by absorbing the impact energy and resisting damage from outside loading. In this paper, we firstly observed the microstructures of hollow column and pole canal in the ladybird beetle elytra and revealed the relationship between them. A bionic energy-absorbing structure inspired by ladybird beetle elytra was proposed, and a micron-scale finite element model was built. The mechanical characteristics of bionic structures with and without poles under axial impact loading were investigated by numerical simulations. It could be obtained that the poles could absorb the impact energy by its deformation. Then the parameter studies including the different impact velocities, the different column diameters, and the different thickness of cuticle were carried out. This parameter study shows that geometric variations and impact velocity have a significant influence on mechanical properties.     

方钢管焊接空心球节点的弹性有限元分析及试验

通过有限元系统分析方钢管焊接空心球节点在轴力作用下的受力性能。建立采用实体单元的有限元模型,对轴力作用下的方钢管焊接空心球节点进行弹性有限元分析,给出轴力作用下方钢管焊接空心球节点的应力和变位分布规律,并对它的力学性能进行分析。将弹性有限元结果与试验结果进行比较,两者符合很好,验证了有限元分析的正确性。     

三维多向编织复合材料宏细观力学性能有限元分析研究进展

三维多向编织复合材料综合力学性能优异,有望在航空航天领域作为主承力结构而得到广泛应用。有限元分析(FEA)方法是三维多向编织复合材料宏细观力学性能研究最为经济和有效的分析手段。从细观结构模型、刚度强度性能预测及界面性能分析等方面评述了细观有限元法的研究进展;从接头结构承载性能分析和冲击性能模拟等方面介绍了宏观有限元法的研究概况;分析了目前研究中存在的主要问题并对后续的研究工作进行了展望,为研究者了解该领域的研究现状和发展趋势提供了有价值的参考。     

Finite element simulation and experimental study on mechanical behavior of 3D woven glass fiber composite sandwich panels

The results of finite element simulation followed by an experimental study are presented in order to investigate the mechanical behavior of three-dimensional woven glass-fiber sandwich composites using FE method. Experimental load–displacement curves were obtained for flatwise compressive, edgewise compressive, shear, three-point bending and four-point bending loads on the specimens with three different core thicknesses in two principal directions of the sandwich panels, called warp and weft. A 3D finite element model is employed consisting of glass fabric and surrounding epoxy resin matrix in order to predict the mechanical behavior of such complex structures. Comparison between the finite element predictions and experimental data showed good agreement which implies that the FE simulation can be used instead of time-consuming experimental procedures to study the effect of different parameters on mechanical properties of the 3D woven sandwich composites.     

Experimental and FEM study of thermal cycling induced microcracking in carbon/epoxy triaxial braided composites

The microcrack distribution and mass change in T700s/PR520 and T700s/3502 carbon/epoxy braided composites exposed to thermal cycling was evaluated experimentally. Acoustic emission was utilized to record the crack initiation and propagation under cyclic thermal loading between −55 °C and 120 °C. Transverse microcrack morphology was investigated using X-ray computed tomography. The differing performance of two kinds of composites was discovered and analyzed. Based on the observations of microcrack formation, a meso-mechanical finite element model was developed to obtain the resultant mechanical properties. The simulation results exhibited a decrease in strength and stiffness with increasing crack density. Strength and stiffness reduction versus crack densities in different orientations were compared. The changes of global mechanical behavior in both axial and transverse loading conditions were studied. By accounting for the obtained reduction of mechanical properties, a macro-mechanical finite element model was utilized to investigate the influence of microcracking on the high-speed impact behavior.     

泡沫金属复合材料的研究进展EI北大核心CSCD

泡沫金属复合材料是一种轻质复合材料,具有低密度、高强度、高屏蔽性能、高阻尼性能等特性,其在航空航天、钻井隔水管浮筒、人工骨等多个领域具有广泛的应用前景,备受人们关注。本文通过对现有文献的研究,介绍了泡沫金属复合材料的制备方法,深入分析泡沫金属复合材料的显微结构对其性能的影响,综述了材料的力学性能、阻尼性能、屏蔽性能、隔热等性能和机制的进展以及其在相关领域的应用,为未来泡沫金属复合材料的开发提供一定的理论依据,并对其新制备工艺、建模研究、夹芯结构以及高性能泡沫空心球的制备等研究方向进行展望。     

Fe-Ti-C 熔体在大气条件下原位合成TiCP/Fe 复合材料的研究

为了在大气条件下利用Fe-Ti-C 熔体中T iC 的合成反应制备原位( in situ) TiC_P/Fe 复合材料, 研究了三种覆盖剂对熔体中T i 元素氧化烧损率的影响, 并分析了所得复合材料的组织和性能。结果表明: 采用所开发的混合盐型覆盖剂能在大气条件下制备出原位TiC_P/Fe 复合材料, 且原位合成的T iC 颗粒尺寸细小、分布均匀, 从而使制备的复合材料特别是经淬火处理后的复合材料具有较高的力学性能。