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。     

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

在对鞘翅断面微结构观测的基础上,分析了鞘翅的微观结构特征。设计了具有层状碳纤维缠绕的仿生轻质结构,并利用有限元法对其进行了力学性能分析。同时制备出了仿鞘翅结构复合材料模型,并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比较,证明了有限元分析结果的有效性。在此基础上,进一步比较了两种不同纤维缠绕方式的仿生轻质结构的力学性能,证明了两层交错纤维缠绕的仿生结构设计是合理的。     

仿鞘翅轻质曲面夹心板结构的设计及其力学性能研究

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。     

基于增材制造技术的自修复结构设计及修复性能研究

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%。     

纤维凉亭 灵感来自甲虫鞘翅

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。     

臭蜣螂鞘翅的一维本构方程及黏弹性模型的建立

采用纳米压痕技术通过单一压痕研究了臭蜣螂鞘翅的各向异性特性。对臭蜣螂鞘翅进行了黏弹性分析,得到了臭蜣螂鞘翅表皮材料的一维本构方程,并建立了臭蜣螂鞘翅表皮的黏弹性模型的微分方程。该模型可望用于设计具有优异力学性能的仿生复合材料或涂层。     

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。     

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。      

非贯通球形空腔型轻质仿生结构的设计及其力学性能

为设计并开发轻量型仿生复合材料,分析了东方龙虱鞘翅断面的微观结构,发现龙虱鞘翅的内部空腔结构为非贯通球形空腔。受龙虱鞘翅独特结构的启发设计了一种轻质仿生结构,球形空腔以正六边形的形式分布于该结构内部。为考察该仿生结构的力学特性,引入了两种常见的中空结构,并借助有限元分析软件ANSYS分别对该仿生结构和其他两种常见的中空结构的压缩、拉伸及弯曲性能进行了有限元分析和对比研究。结果表明:该仿生结构较其他两种常见的中空结构具有更强的抗压能力、抗拉能力及更高的屈服强度,力学性能优异。该仿生结构在材料结构方面为研制新型仿生复合材料提供了仿生学参考。