甲蟲前翅及仿生一體化蜂窩板的力學(xué)性能研究.pdf

1、甲蟲前翅（又稱“鞘翅”）具有優(yōu)化程度高和輕質(zhì)高強(qiáng)的特征，是輕量化材料的理想仿生對象之一，已經(jīng)在國內(nèi)外引起了廣泛關(guān)注。本文在回顧甲蟲前翅結(jié)構(gòu)仿生應(yīng)用研究和有關(guān)蜂窩板剪切及側(cè)壓力學(xué)性能方面研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，首先對有關(guān)前翅結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能研究中的質(zhì)疑問題進(jìn)行實(shí)證研究，確立了本研究應(yīng)該采用的甲蟲前翅仿生模型;其次，通過對短切玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）的剪切性能開展試驗(yàn)研究，給出不同纖維長度、含量BFRP的力學(xué)特性，為BFRP蜂窩板剪切力

2、學(xué)性能解析奠定了基礎(chǔ);在此基礎(chǔ)上，最后實(shí)測BFRP增強(qiáng)的仿生完全一體化蜂窩板（FIHP）剪切和側(cè)壓力學(xué)性能。本文主要開展如下三部分(Ⅰ-Ⅲ)的研究工作:
　　第Ⅰ部分甲蟲前翅結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能的驗(yàn)證研究
　　1.甲蟲前翅結(jié)構(gòu)仿生模型的確立
　　針對“與東方龍虱鞘翅的結(jié)構(gòu)最為相似”的仿生結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)異力學(xué)性能的報(bào)道，本章通過對甲蟲前翅結(jié)構(gòu)的觀察及相關(guān)仿生模型的有限元對比分析，證實(shí)東方龍虱前翅小柱內(nèi)部也是實(shí)芯的，且其芯層結(jié)

3、構(gòu)中無橫管存在，再次驗(yàn)證了東方龍虱前翅具有一般甲蟲前翅三維結(jié)構(gòu)特征的事實(shí);不論是基于空芯和實(shí)芯小柱所建立的仿生模型，仿生蜂窩板模型都比所謂的“與東方龍虱鞘翅的結(jié)構(gòu)最為相似”的仿生結(jié)構(gòu)具有更好的抗壓力學(xué)性能。因此，本課題采用了陳錦祥等基于甲蟲前翅結(jié)構(gòu)提煉的一體化蜂窩板模型展開研究。
　　2.新鮮和干燥甲蟲前翅拉伸力學(xué)性能特征
　　針對東方龍虱新鮮和干燥前翅拉伸屈服應(yīng)變“無明顯差異”的報(bào)道，本章通過對多種甲蟲前翅結(jié)構(gòu)的觀察及其新

4、鮮和干燥前翅的拉伸試驗(yàn)研究，探明了其拉伸力學(xué)性能特征。結(jié)果表明，不論東方龍虱還是獨(dú)角仙，新鮮和干燥前翅在拉伸破壞斷口形貌和拉伸力學(xué)性能方面存在明顯差異。兩種甲蟲新鮮前翅的斷口具有粘稠狀物質(zhì)，形貌柔和，斷口處有較多纖維被拔出現(xiàn)象，而干燥前翅斷裂時(shí)斷口比較整齊。新鮮前翅比干燥前翅具有更好的斷裂伸長率，這是由于新鮮前翅的纖維和蛋白質(zhì)含有較多水分，使羥基內(nèi)部鏈容易發(fā)生相對滑移所致。首次提出了獨(dú)角仙前翅在達(dá)到極限強(qiáng)度前因下蒙皮先發(fā)生破壞而出現(xiàn)應(yīng)力

5、突降現(xiàn)象，并考察了其發(fā)生的原因和機(jī)理。
　　通過本章的研究，除了還原真相外，既可以獲得具有小柱芯層的夾層結(jié)構(gòu)拉伸力學(xué)特征，用于開發(fā)相應(yīng)的一體化蜂窩板，又可以為研發(fā)具有生物活體特征的仿生材料指明研究方向。
　　第Ⅱ部分BFRP的力學(xué)特性及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究
　　為了獲得BFRP材料的基本屬性，進(jìn)而為BFRP蜂窩板剪切力學(xué)性能解析和推廣玄武巖纖維(BF)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，該部分在改進(jìn)的BFRP剪切試驗(yàn)方法基礎(chǔ)上，重點(diǎn)測試了纖維長

6、度(Lf)為3，6和9mm時(shí)，BFRP板材的剪切力學(xué)性能。
　　1.BFRP的剪切試驗(yàn)方法及其力學(xué)特性
　　BFRP剪切破壞的裂縫可分為主裂縫，耦合裂縫和微細(xì)裂縫三類;微細(xì)裂縫先于主裂縫萌生，源于短切纖維與樹脂基體界面的微觀滑移;指出了短切纖維體積含量(Vf)存在一個(gè)臨界值，高于臨界值后樣品通過前述的微觀滑移開始擁有剪切彈塑性性能。且纖維含量越高，其彈塑性變形能力越強(qiáng);給出了纖維長度為3mm時(shí)，BFRP的剪切力學(xué)性能等基本材

7、料屬性，提出了使用3mm BF時(shí)Vf必須大于15％，且盡可能在30％或以上的推廣條件。
　　2.BFRP的剪切力學(xué)特征及其影響機(jī)理
　　1)發(fā)現(xiàn)在剪切荷載-位移曲線上第一個(gè)臨界載荷值均穩(wěn)定在某一固定區(qū)間內(nèi)，并從纖維/基體界面的粘結(jié)狀態(tài)探明其內(nèi)在原因:出現(xiàn)界面滑移的條件相同。2）隨著Vf增加，BFRP剪切強(qiáng)度、變形和能量耗散能力均隨之增加，但Lf較長時(shí)增速減慢，而Lf最短的3mm卻幾乎接近勻速增加。3）對于Lf為3mm的試樣，

8、在Vf為25％時(shí)，剪切彈模達(dá)到最大值，對于Lf為6或9mm的試件，Lf越長，剪切彈模增速越快。這是由于6和9mm試樣以纖維/基體脫膠為主，且其Vf高時(shí)容易出現(xiàn)纖維成束而使部分纖維/基體間粘結(jié)力減小，而Lf為3mm試樣以纖維被拔出為主要破壞模式，Vf高時(shí)將有更多還未被拔出的短纖維能繼續(xù)發(fā)揮作用，這使其變形能力顯著增加。
　　第Ⅲ部分FIHP的力學(xué)特性及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究
　　1.FIHP芯層結(jié)構(gòu)的剪切力學(xué)性能研究
　　FIH

9、P芯層結(jié)構(gòu)的剪切破壞主要是發(fā)生在芯層中面上的纖維脫粘破壞，屬于材料界面破壞，且沒有出現(xiàn)芯層結(jié)構(gòu)與上下面板連接界面的剝離破壞，由此表明生物結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀的整體性力學(xué)性能;本文試驗(yàn)制備的FIHP尚待完善，為此提出了對纖維表面進(jìn)行預(yù)處理，采用甲蟲前翅的小柱結(jié)構(gòu)周圍纖維連續(xù)分布的仿生手法對蜂窩壁和封邊內(nèi)的纖維鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，這將為完善FIHP結(jié)構(gòu)，提高其芯層結(jié)構(gòu)剪切力學(xué)性能指明研究方向。
　　2.FIHP側(cè)壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究
　

10、　FIHP的側(cè)壓以無孔面板的壓縮破壞為主要特征，而且具有明顯的塑性特征，并沒有發(fā)生明顯的面板屈曲等脆性破壞;因沒有面板—芯層膠結(jié)面，F(xiàn)IHP沒有出現(xiàn)面板屈曲的破壞型式，這說明其具有整體性好的特征，同時(shí)發(fā)現(xiàn)Lf為9mm的FHP具有最好的剪切彈性模量和很好的塑性變形;得到了FIHP側(cè)壓承載力理論計(jì)算值。
　　本文創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)證實(shí)了東方龍虱前翅小柱是實(shí)芯的，且其芯層沒有橫管存在*。通過縱橫兩個(gè)方向解剖觀察東方龍虱前翅芯

11、層結(jié)構(gòu)，再次驗(yàn)證了甲蟲前翅的三維結(jié)構(gòu)特征;驗(yàn)證了新鮮和干燥前翅拉伸力學(xué)性能存在差異，并分析了兩者存在差異的主要原因，且首次提出了獨(dú)角仙前翅在達(dá)到極限強(qiáng)度前因下蒙皮先發(fā)生破壞而出現(xiàn)應(yīng)力突降現(xiàn)象，并從宏觀和微觀角度分別考察了其發(fā)生的原因。
　　(2)給出了Lf為3、6和9mm時(shí)，BFRP的剪切力學(xué)性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著Lf和Vf的增加，BFRP的彈塑性增強(qiáng)。同時(shí)探明了三種剪切破壞裂縫類型與纖維分布之間的關(guān)系，以及彈塑性、剪切破壞裂縫類型與

12、短切纖維的微觀滑移存在密切關(guān)系。
　　(3)采用改進(jìn)的FIHP制備方法，制備了Lf為3、6和9mm的FIHP，通過試驗(yàn)和有限元分析方法探討了帶封邊的FIHP芯層結(jié)構(gòu)剪切破壞形態(tài)和力學(xué)性能:剪切破壞主要是發(fā)生在芯層中面上的纖維脫粘破壞，屬于材料界面破壞，且沒有出現(xiàn)芯層結(jié)構(gòu)與上下面板連接界面的剝離破壞，由此表明生物結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀的整體性力學(xué)性能。
　　(4)對FIHP側(cè)壓力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)證實(shí)FIHP的側(cè)壓以無孔面板的壓