CN110737979B

CN110737979B - 具有孔隙的仿生交错复合结构

Info

Publication number: CN110737979B
Application number: CN201910967661.4A
Authority: CN
Inventors: 郝瑞; 李东旭; 刘望
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2019-10-12
Filing date: 2019-10-12
Publication date: 2022-08-19
Anticipated expiration: 2039-10-12
Also published as: CN110737979A

Abstract

本发明公开一种具有孔隙的仿生交错复合结构，由多个完整单元在三维方向上排列连接构成，所述完整单元由三个对称面分成八个最小单元，所述最小单元具有位于异面的第一侧棱和第二侧棱，包括：软质基体和两硬质增强体，所述硬质体部分为四分之一正四棱柱体或圆柱体，两所述硬质增强体所在的正四棱柱体或圆柱体的中心线分别位于所述第一侧棱和第二侧棱上；两所述硬质体部分的在高度方向上的重叠区域内形成有中空的孔隙，以任意水平面将所述孔隙剖开而得到的截面为与所述硬质体的横截面相同的正方形或圆形，所述硬质体在所述重叠区域内的横截面面积沿长度方向线性变化。本发明所述具有孔隙的仿生交错复合结构的硬质体的应力趋于均匀分布状态。

Description

具有孔隙的仿生交错复合结构

技术领域

本发明属于仿生复合材料技术领域，具体涉及一种具有孔隙的仿生交错复合结构。

背景技术

生物体为了适应复杂多变的环境要求，经过长时间的进化和动力学自组装过程，其各个组分之间按照最佳结构和组合方式组装，最终形成了优异的功能与完美的结构。仿生是模仿生物体的功能和行为来建造技术系统的一种科学方法，它以工程力学原理为基础，观察、研究生物体不同结构层次(微观、细观、宏观)的形态、结构和性质以获得灵感，进而对材料、结构、系统进行仿生模拟，为工程技术提供新的设计思想、工作原理及系统架构。

山羊在岩石间攀爬、跳跃的过程中，四肢需要承受剧烈的动态载荷，其腿部骨骼作为主要的受力结构，具有强度高、韧性大、承载能力强等突出的力学特性，在山羊奔跑运动过程中发挥了良好的缓冲、隔振和抵抗外部冲击的作用。受此启发，人们试图通过研究山羊腿部骨骼的内部微观结构及其减振缓冲机理，探索并发展一种模仿生物材料内部结构和力学行为的仿生复合材料结构，来有效解决工程实际中会经常遇到的振动冲击问题。

骨骼是一种主要由硬质矿物和软质胶原蛋白组成的天然生物组织。通过深入研究骨骼内部微观构造，发现硬质矿物和软质胶原蛋白这两者成分呈交错排列分布，是骨骼具有优良性能的关键因素。受骨骼这类天然硬质生物材料的微观结构启发，人们得到了一种由软质基体和硬质增强体组成的复合材料结构，称为仿生交错复合结构。该结构是纤维增强复合结构中的一种特殊情况，有限长度的硬质增强体在软质基体中均匀交错地分布。在结构受到外力时，硬质增强体承受了绝大部分载荷，而内部应力主要通过软质基体的剪切变形传递。其特点是，能够将硬质增强体和软质基体的优点结合起来，相对一般复合结构在刚度、强度和阻尼特性上均具有优势。

尽管如此，现有的仿生交错复合结构的力学性能仍存在较大的提升空间。一个显著的问题是作为主要承载结构的硬质增强体中的正应力沿长轴方向近似线性变化，导致其应力的平均值仅为最大值的一半。特别是对于用分级复合结构，非均匀应力分布会使强度随着级数的增加呈指数下降。这说明现有仿生交错复合结构模型中存在冗余质量，需要进一步发掘骨骼的微观结构特征。此外，现有的仿生交错复合结构模型中，没有考虑和体现在骨骼各级结构中都占有可观比例的孔隙，这些孔隙也通常仅仅被视为材料中存在的缺陷，它们对应力分布的调节作用往往被忽视。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种具有孔隙的仿生交错复合结构，旨在解决上述背景技术中提出的现有仿生交错复合结构的问题和不足。

为实现上述目的，本发明提出一种具有孔隙的仿生交错复合结构，由多个正四棱柱状的完整单元在三维方向上排列连接构成，所述完整单元由三个对称面分成八个相同的正四棱柱状的最小单元，所述最小单元具有相对的第一侧棱和第二侧棱，所述最小单元包括：位于上下端的两硬质体部分和位于其余部位的基体，所述硬质体部分为端面为等腰直角三角形的四分之一正四棱柱体，或者为四分之一圆柱体，所述硬质体部分具有一第三侧棱，两所述硬质体部分的第三侧棱分别位于所述第一侧棱和第二侧棱上，两硬质体部分在长度方向上具有重叠区域和除重叠区域以外的间断区域，一个所述完整单元中，位于最上端的四个硬质体部分靠拢，位于最下端的四个硬质体部分也靠拢，由此，上下相邻的两完整单元中，八个硬质体部分靠拢合成一整个正四棱柱状或圆柱状的硬质体；所述硬质体的重叠区域内形成有中空的孔隙，以任意水平面将所述孔隙剖开而得到的截面为与所述硬质体的横截面相同的正方形或圆形，所述硬质体在所述重叠区域内的横截面面积沿长度方向线性变化。

优选地，所述硬质体为正四棱柱体，以一穿过所述第三侧棱的任意平面将对应的所述孔隙剖开而得到的截面的外弧线为抛物线，所述抛物线的方程式为：

其中，坐标系o₁-x₁y₁中，原点o₁位于所述孔隙的尖点，y₁轴位于所述第三侧棱上，x₁轴与y₁轴垂直；l_p为硬质体的长度，l_m为一个最小单元中基体的位于间断区域内的长度，h_p为所述正四棱柱体的端面的边长。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果：

本发明将特定形状的空腔(即孔隙)引入到有限长度的硬质增强体中，在仿生交错复合结构中形成均匀分布的孔隙，其不改变交错复合结构中的载荷传递方式，是在保留原有结构优势的前提下对结构进行的改进。

本发明解决了常规仿生交错复合结构中的硬质增强体的正应力近似线性分布问题，使硬质增强体的应力趋于均匀分布状态，在不降低常规结构强度的前提下大幅减轻了结构的质量，并且提升了结构弹性模量与密度的比值，增加了结构单位质量的机械能存储能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是常规的仿生交错复合结构模型示意图；

图2是本发明一实施例提出的具有孔隙的仿生交错复合结构的最小分析结构单元示意图；

图3是图2所示的最小分析结构单元的区域划分和受力分析图；

图4是图2提出的具有孔隙的仿生交错复合结构中单个完整孔隙的示意图；

图5a是图4的俯视图；

图5b是图4的侧视图；

图6a是常规的仿生交错复合结构模型的应力分布图；

图6b是图2提出的具有孔隙的仿生交错复合结构模型的应力分布图；

图7a是常规的仿生交错复合结构模型的应力强度分布图；

图7b是图2提出的具有孔隙的仿生交错复合结构模型的应力强度分布图。

本发明的附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	第一侧棱	3-1/3-2	重叠区域的硬质体部分
2	第二侧棱	3-3/3-4	间断区域的硬质体部分
				3	硬质体部分	4	基体
31	第三侧棱	4-1/4-2	间断区域的基体
				32	孔隙	4-3	重叠区域的基体

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

常规的仿生交错复合结构如图1所示，由软质基体(以下简称基体)和硬质增强体(以下简称硬质体)两种成分组成，硬质体在该复合结构中呈规则交错分布，硬质体的横截面具有多种不同的形状，其中最常用的有正方形、正六边形和圆形等。由于形状的不同仅仅影响其本构方程中与结构有关的常数项，因此这里以具有正方形横截面的硬质体为例进行说明，其整体结构示意图如图1中(a)所示。由于该结构具有良好的周期性，可将其视为由数量众多的完整结构单元(以下简称完整单元)重复堆砌而成，一个完整单元如图1中(b)所示。对于一个完整的结构单元，考虑到其具有完美的对称性，在分析时可将其划分为8个完全相同的最小单元(以下简称最小单元)，一个最小单元如图1中c所示，其仅为完整单元的1/8。

对于每个最小单元：上下端分别具有硬质体部分3，其余部位为基体4，最小单元所在的正四棱柱具有相对的第一侧棱1和第二侧棱2，硬质体部分3为端面为等腰直角三角形的三棱柱体，三棱柱体的一条连接两端三角形直角的侧棱为第三侧棱31，两硬质体部分3的第三侧棱31分别位于第一侧棱1和第二侧棱2上。两硬质体部分3在长度方向上具有重叠区域和除重叠区域以外的间断区域；一个完整单元中，位于最上端的四个硬质体部分3靠拢，位于最下端的四个硬质体部分3也靠拢，由此，上下相邻的两完整结构单元中，八个硬质体部分3靠拢合成一整个正四棱柱状的硬质体。

如图2所示，本发明提供的一种具有孔隙的仿生交错复合结构与图1所示的仿生交错复合结构的不同之处在于，在硬质体中引入了一种特定形状的孔隙32。图2给出的是本发明所述具有孔隙的仿生交错复合结构的最小分析结构单元的示意图，从图2中可以看出，将一种特定形状的空腔(即孔隙32)引入到了有限长度的硬质体中，这样在常规的仿生交错复合结构中便会形成均匀分布的孔隙32。

对图2所示最小分析结构单元进行区域划分和受力分析，结果如图3所示。图3中，虚线将最小单元沿长度方向划分为重叠区域和间断区域，3-1和3-2分别表示两重叠区域的硬质体部分，3-3和3-4分别表示两间断区域的硬质体部分，4-1和4-2分别表示间断区域的基体，4-3表示重叠区域的基体。

用σ_p-1表示间断区域的硬质体部分3-3/3-4的正应力，σ_p-2表示重叠区域的硬质体部分3-1/3-2的正应力，τ_m表示重叠区域的基体4-3的切应力，σ_m表示间断区域的基体4-1/4-2的正应力。同时为分析方便，建立一个直角坐标系o-xy，其中，坐标原点o位于最小单元的中心，x轴沿最小单元的中心轴线方向(即硬质体的长度方向)，而y轴与x轴垂直。

设l_p为硬质体的长度，h_p为硬质体正方形横截面的边长(即宽度)，l_m为间断区域中基体的长度，h_m为重叠区域中基体的厚度，则硬质体的细长比η(即长度和宽度的比值)可表示为：

η＝l_p/h_p (1)

当仿生交错复合结构中硬质体的细长比η小于等于特征值η_c(与结构的材料参数有关，可以取不同的数值)时，可认为基体中的切应力满足均匀分布，即τ_m＝constant。此时，图3中硬质体1在重叠区域(-(l_p-l_m)/4≤x≤(l_p-l_m)/4)所受力的大小F_p沿纵向线性变化，可表示为：

F_p(x)＝-F_m-τ_mh_p[x+(l_p-l_m)/4] (2)

式2中，F_m为硬质体1两端软质基体受到的力，负号表示压力。

当仿生交错复合结构中硬质体内部的孔隙具有恰当形状时，孔隙对硬质体的整体受力情况的影响不大。如果硬质体内部的孔隙形状恰好使硬质体的横截面面积也沿纵向线性变化时，其受力和应力分布也就会趋于一种均匀状态。对于本实施例所述仿生交错复合结构模型，其硬质体可视为横截面为正方形的细长长方体，因此，这里也令硬质体内部的孔隙32与硬质体本身具有相同形状的横截面，即孔隙32的横截面也为正方形。为了使具有孔隙32的硬质体的横截面的实际面积沿纵向线性变化，硬质体1中孔隙32的横截面边长h_pore需要满足下式：

由此，根据式3可以得到单个完整孔隙的形状如图4所示，其投影视图(俯视图和侧视图)如图5a和5b所示。由图4、图5a和5b可以看出，本发明所设计孔隙32的任意横截面形状与硬质体的横截面形状相同，均为如图5a所示的正方形，但不同横截面所得到的正方形的大小有所不同，而过正方形任一个顶点(图4中的A点、B点、C点或D点)和孔隙32的中心轴EF的纵截面形状为一条如图5b所示的抛物线，该抛物线可用如下方程式描述：

值得注意的是，这里描述该条抛物线的坐标系o₁-x₁y₁不同于前面所述的直角坐标系o-xy，其原点o₁位于距离孔隙顶点长度为l_m/2的下方，y₁轴为孔隙的中心轴重合，x₁轴与y₁轴垂直。

进一步地，为了验证本发明所获取的有益效果，采用ANSYS商业有限元软件分别建立了常规仿生交错复合结构和本发明所述具有孔隙的仿生交错复合结构的有限元模型，对两结构在静载荷下的应力应变分布进行仿真，进而对比两种结构模型的力学性能。两种仿生交错复合结构模型的组成材料和单元的几何比例都相同，唯一区别在于是否存在孔隙。对于本发明所述具有孔隙的仿生交错复合结构的有限元模型中，孔隙是通过实体做差生成的：首先在常规结构硬质体的两个互相垂直的侧面上，通过对点进行插值各得到一条抛物线，然后沿着这两条线生成蒙皮面，最后与侧面共同构成需要去除的结构，这样便生成了所设计的孔隙。

本实施例中，所采用的具体材料参数如下：

硬质体的弹性模量E_p＝200GPa，泊松比μ_p＝0.3，密度ρ_p＝7800kg/m³；

基体的剪切模量G_m＝200MPa，泊松比μ_m＝0.4，密度ρ_m＝1000kg/m³。

而相关几何参数如下：

硬质体的长度l_p＝1m，横截面边长h_p＝0.0586m，细长比η＝17.06；

间断区域中基体的长度l_m＝0.08m，重叠区域中基体的厚度h_m＝0.04m。

所施加的载荷条件：仅在顶面的四个硬质体的横截面上沿硬质体长度方向施加大小为5MPa的均匀压应力载荷。

图6a、图6b给出了两种结构模型的应力分布对比图，图7a、图7b给出了两种结构模型的应力强度分布对比图，其中图6a和图7a对应的是常规的仿生交错复合结构模型，而图6b和图7b对应的是本发明所述具有孔隙的仿生交错复合结构。

由图6a和图6b可以看出，常规的仿生交错复合结构模型中硬质体的纵向正应力沿y轴不断变化，而在本实施例的具有孔隙的仿生交错复合结构中这种情况仅出现在硬质体的两端，并且在相同外载荷的作用下，具有孔隙的模型中的最大正应力有所下降，尽管孔隙结构使它的质量相对常规模型大幅减小。

图7a和图7b所展示的应力强度云图能更直观地表达结构中的载荷分布。由图7a和图7b可以看出，基体中应力强度比硬质体中的应力强度低大约3个数量级，这证实了理论模型中软质组分承载作用很小的简化条件，而且具有孔隙的模型中硬质体的大部分区域具有相对更高的应力强度，并且硬质体的应力近似于均匀分布状态。

进一步对两种模型的相对力学性能进行比较。这里的相对力学性能是指考虑结构质量的力学性能。经计算，具有孔隙的仿生交错复合结构的质量相对常规模型减少了38.04％，相对弹性模量提升了24.57％，相对强度提升了65.06％。

将强度和弹性模量代入结构能量存储能力w(即应变能密度)的表达式，即：

w＝(σ^cri)²/(2E) (5)

式5中σ^cri为结构的压缩强度极限，E为结构的弹性模量。

由式5可以得到，结构的能量存储能力(应变能密度)增加了35.52％。上述结果表明本发明所述具有孔隙的仿生交错复合结构具有更高相对力学性能，因而能够更高效地吸收动能。

根据上述分析，由此可以得出如下结论：(1)本发明解决了常规仿生交错复合结构中的硬质增强体的正应力近似线性分布问题，使硬质体的应力趋于均匀分布状态；(2)在不降低常规结构强度的前提下大幅减轻了结构的质量；(3)本发明提升了结构弹性模量与密度的比值，增加了结构单位质量的机械能存储能力。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种具有孔隙的仿生交错复合结构，由多个正四棱柱状的完整单元在三维方向上排列连接构成，所述完整单元由三个对称面分成八个相同的正四棱柱状的最小单元，

所述最小单元具有相对的第一侧棱(1)和第二侧棱(2)，所述最小单元包括：位于上下端的两硬质体部分(3)和位于其余部位的基体(4)，所述硬质体部分(3)为端面为等腰直角三角形的四分之一正四棱柱体，或者为四分之一圆柱体，所述硬质体部分(3)具有一第三侧棱(31)，两所述硬质体部分(3)的第三侧棱(31)分别位于所述第一侧棱(1)和第二侧棱(2)上，两硬质体部分(3)在长度方向上具有重叠区域和除重叠区域以外的间断区域，

一个所述完整单元中，位于最上端的四个硬质体部分(3)靠拢，位于最下端的四个硬质体部分(3)也靠拢，由此，上下相邻的两完整单元中，八个硬质体部分(3)靠拢合成一整个正四棱柱状或圆柱状的硬质体；

其特征在于，

所述硬质体的重叠区域内形成有中空的孔隙(32)，

以任意水平面将所述孔隙(32)剖开而得到的截面为与所述硬质体的横截面相同的正方形或圆形，

所述硬质体在所述重叠区域内的横截面面积沿长度方向线性变化。

2.如权利要求1所述的具有孔隙的仿生交错复合结构，其特征在于，所述硬质体为正四棱柱体，以一穿过所述第三侧棱的任意平面将对应的所述孔隙(32)剖开而得到的截面的外弧线为抛物线，所述抛物线的方程式为：

其中，坐标系o₁-x₁y₁中，原点o₁位于所述孔隙的尖点，y₁轴位于所述第三侧棱上，x₁轴与y₁轴垂直；

l_p为硬质体的长度，l_m为一个最小单元中基体的位于间断区域内的长度，h_p为所述正四棱柱体的端面的边长。