CN111027212A - 一种仿生交错层叠薄板结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种仿生交错层叠薄板结构，属于仿生复合材料结构设计技术领域。为解决现有仿生交错层叠复合结构韧性相对较弱、难以满足较大冲击载荷作用下应用需求的技术问题，本发明提出在两硬质体的结合部分设计一种仿牺牲键特性的可断裂体，结构在外部轴向拉伸载荷的作用下，能够通过可断裂体的断裂过程产生额外的能量耗散，从而实现结构整体的韧性增强。本发明较好地模拟了骨骼等生物材料中存在的牺牲键结构，在增加结构韧性的同时，还实现了结构抗拉刚度的可变。
Description
技术领域
本发明属于仿生复合材料结构设计技术领域，具体涉及一种仿生交错层叠薄板结构。
背景技术
自然界中的生物材料，例如哺乳动物的骨骼，因其在强度、刚度和韧性方面的出色表现而一直吸引着人们的研究兴趣，试图探索并发展一种能够很好模仿生物材料优异力学性能的仿生复合材料结构，以解决结构工程领域中面临的技术难题。
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复合材料。从外至内，可分为密致骨和松质骨两种不同类型，其中，密质骨对骨骼整体的强度、刚度以及结构韧性等力学性能起着主要影响作用。人们研究发现，骨骼的杨氏模量可达10Gpa，抗拉强度可达80-120Mpa，其优异的力学性能的关键在于密质骨内部存在“交错层叠”的复杂多级骨板微结构。受骨骼内部微观结构的启发，研究学者们提出了一种由硬质体和软基体组成的仿生交错层叠薄板结构模型，以发展性能更加优越的工程结构，参见英文非专利文献“Anextended analytic model for the elastic properties of platelet-staggeredcomposites and its application to 3D printed structures,Youngsoo Kim,etal.,Composite Structures 189(2018)27–36.”(题目：叠层复合材料弹性特性的扩展分析模型及其在三维打印结构中的应用，作者：Youngsoo Kim等，期刊名：复合材料结构，年份：2018年，卷：第189卷，页码：第27–36页)。
现有的仿生交错层叠薄板结构主要将硬质体和软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。然而，它仅考虑了骨骼中存在的硬质矿物和软质胶原蛋白两种成分，忽略了密质骨有机组分中广泛存在的牺牲键，存在结构刚度相对固定、一旦设计出来就无法改变的问题，而且更重要的是，所设计出的结构存在韧性不够强、难以满足较大冲击载荷作用下应用需求的问题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种预设有可断裂体的仿生交错层叠薄板结构，旨在解决现有仿生交错层叠复合结构刚度无法改变、结构韧性不够强的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种预设有可断裂体的仿生交错层叠薄板结构，包括多个平行布置的硬质体、多个平行布置的软基体、以及多个可断裂体，所述硬质体与软基体的外形均呈长条形且在竖直方向上依次交错排列，所述可断裂体设置于相邻的两所述硬质体之间且能够在外部轴向拉伸载荷作用下发生断裂。
整体结构具有周期性和重复性，可以由一个元胞先通过竖直和水平方向上的两次镜像、后进行线性阵列的方式得到，所述元胞为整体结构的一个最小分析单元。
所述元胞在结构上关于处于内部的软基体的中心点呈中心对称。
优选地，所述可断裂体的宽度和厚度均与所述硬质体相同。
优选地，一个所述硬质体的长度等于一个所述软基体的长度和一个所述可断裂体的长度之和。
优选地，在两所述软基体之间还存在有一个空腔。
优选地，所述空腔的长度等于所述可断裂体的长度。
优选地，所述空腔的宽度等于所述软基体的宽度。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果主要体现在以下两个方面：
其一，本发明较好地模拟了密质骨有机组分中存在的牺牲键的特点，在外力作用下整体结构内部能够发生特定部分的局部断裂，从而实现对外力功的额外耗散，最终实现整体结构的韧性增强，且不影响结构的强度特性；
其二，本发明由于结构内部的可断裂体在特定外载荷作用下将发生断裂，断裂后结构整体的等效弹性模量将随之改变，即结构抗拉刚度也会发生变化，因此，本发明还实现了结构刚度的可变。
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是本发明所述预设有可断裂体的仿生交错层叠薄板结构示意图；
图2是单个元胞的结构示意图；
图3是将元胞先后在竖直和水平方向进行两次镜像的示意图；
图4是单个元胞的材料特性参数和结构几何参数示意图；
图5是单个元胞的有限元模型图；
图6a是加载位移为1.1×10-3mm时元胞结构的应变云图；
图6b是加载位移为1.65×10-3mm时元胞结构的应变云图；
图6c是加载位移为9.35×10-3mm时元胞结构的应变云图；
图7a是加载位移为1.1×10-3mm时元胞结构的应力云图；
图7b是加载位移为1.65×10-3mm时元胞结构的应力云图；
图7c是加载位移为9.35×10-3mm时元胞结构的应力云图；
图8是单个元胞的平均应力-应变变化曲线图。
本发明的附图标号或符号说明：
| 标号或符号 | 名称或含义 | 标号或符号 | 名称或含义 |
| 1 | 硬质体 | 1a | 硬质体a |
| 2 | 软基体 | 1b | 硬质体b |
| 3 | 可断裂体 | 1c | 硬质体c |
| 4 | 空腔 | 1d | 硬质体d |
| 5 | 元胞 | F | 外部轴向拉伸载荷 |
| 3a | 可断裂体a | 3b | 可断裂体b |
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。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。
动物密质骨骨骼具有优良力学性能的关键因素之一是，骨骼内部的硬质矿物和软质胶原蛋白这两种成分呈交错排列分布。受此启发，研究学者们设计了一种由软基体和硬质体组成的仿生交错层叠复合材料薄板结构，其是纤维增强复合结构中的一种特殊情况，有限长度的硬质体在软基体中均匀交错地分布。当结构受到外力作用时，结构中的硬质体能够承受绝大部分外力载荷，而内部应力主要依靠结构内部软基体的剪切变形来进行传递。
本申请的发明人研究发现，密质骨内部在微米至纳米尺度的微观结构上还广泛存在有一种“牺牲键”结构，它是密质骨具有优异能量耗散能力的一个重要因素。“牺牲键”结构被认为是一种分子或微结构之间的连接关系，通常包含至少1强1弱的两组连接键。牺牲键被定义为在载荷作用下，强连接键断裂失效之前预先断裂的相对弱连接键(简称弱键)。当外界载荷施加于具有牺牲键结构的生物材料时，牺牲键结构将通过弱键的预先断裂来耗散外界输入的能量，使强键得以保留并继续发挥连接作用，从而保证结构整体的完整性。而且，生物材料中的牺牲键结构通常是可自修复的，即牺牲键的断裂通常是一个可逆的过程。这意味着牺牲键结构在几乎不影响生物材料的强度的前提下，可为生物材料提供额外的能量耗散能力，即实现了结构韧性的提高。从效果上来看，由于牺牲键结构的存在，当密质骨受到载荷作用时，有可能在其中的骨板微结构内部产生一些微米尺度的特殊微裂纹，这些特殊微裂纹产生和生长需要消耗载荷能量，这就导致了垂直于微裂纹生长方向的结构韧性增强，但同时，这种特殊微裂纹又不至于影响到骨板结构的强度。
受上述骨骼在微观尺度下通过牺牲键断裂使得结构韧性增强的机制启发，本发明提出了一种预设有可断裂体的仿生交错层叠薄板结构，其结构如图1所示。由图1可以看出，本发明所述预设有可断裂体的仿生交错层叠薄板结构包括多个平行布置的硬质体1、多个平行布置的软基体2、以及多个可断裂体3；所述硬质体1与软基体2的外形均呈长条形，且在竖直方向上依次交错排列；所述可断裂体3设置于相邻的两所述硬质体1之间，它能够在外部轴向拉伸载荷F的作用下发生断裂；在两软基体2之间还存在有一个空腔4。
整体结构具有周期性和重复性，可以由一个如图2所示的元胞5先通过竖直和水平方向上的两次镜像、后进行线性阵列的方式得到。具体镜像过程如图3所示：首先将一个元胞5在竖直方向上进行镜像，即关于一条水平轴进行镜像，得到一个由两元胞构成的结构，见图3中虚线框内部所示的结构；然后再将得到的由两元胞构成的结构在水平方向上进行镜像，即关于一条竖直轴进行镜像，得到一个由四元胞构成的最小结构。最后，再将两次镜像所得到的由四元胞构成的最小结构在水平和竖直两个维度方向上进行线性阵列，即可得到如图1所示的整体结构。因此可以说，单个元胞5是研究本发明所述预设有可断裂体的仿生交错层叠薄板结构的一个最小分析单元。
单个元胞5的详细结构示意如图2所示。由图2可以看出，单个元胞5主要由硬质体1a、硬质体1b、硬质体1c、硬质体1d、软基体2、可断裂体3a、可断裂体3b以及空腔4组成，其中，硬质体1a和硬质体1d实际上为连成一体的一个硬质体，它们仅仅只有内部应力分布状态的不同，为了分析方便这里对其编以不同的附图标号。同样地，硬质体1b和硬质体1c也是连在一起的整体。
由图2还可以看出，单个元胞在结构上关于处于内部的软基体2的中心点呈中心对称，也就是说，把元胞结构绕着软基体2的中心点旋转180°，能够与原结构图形相重合；或者也可以说，单个元胞在结构上关于过软基体中心点的水平轴(方向与结构长度方向相同)呈反对称。
为描述方便起见，建立一个平面直角坐标系o-xy，其中，x轴方向与硬质体和软基体的长度方向相同，而y轴方向与x轴方向垂直，与硬质体1和软基体2的宽度方向相同。图4进一步给出了元胞内各个区域的材料特性参数以及结构的几何参数，其中，Em为硬质体1的弹性模量，Ee为可断裂体3的弹性模量，G为软基体的剪切模量，b和h分别为硬质体1和软基体2的宽度，la和lb分别为软基体2和可断裂体3的长度，可断裂体3的宽度和厚度均与硬质体1相同(厚度可参见图3；考虑到本发明为一平面薄板结构，图1和图2均未示出结构在厚度方向的尺寸)，这样得到一个单独的硬质体1(即硬质体1b和硬质体1c合成的整体)的长度为la+lb。即一个单独硬质体1的长度等于一个软基体2的长度和一个可断裂体3的长度之和。此外，由图2还可以看出，空腔4的宽度与软基体2相同，长度与可断裂体3相同。
下面采用Abaqus商业有限元分析软件来对本发明所设计的结构进行效果仿真验证。
对于硬质体1和软基体2，均采用Abaqus软件中自带的四节点平面应力单元CPE4R进行建模，而对于可断裂体3，由于需要模拟其在外力作用下发生断裂的过程，因此本实施例中首先也采用CPE4R单元对可断裂体3a和3b进行建模，然后在单元之间再插入零厚度四节点的内聚力单元COH2D4，以实现预设的结构断裂。最终得到划分好网格的单个元胞有限元模型如图5所示。模型的约束边界条件设置为：绕原点o的转角为零，即结构不会发生面内转动；而载荷条件设置为：同时在模型的左右边缘以对称、匀速的方式施加一个大小为0.1mm的位移载荷。
仿真中模型所采用的材料和几何特性参数如下表所示：
表1仿真参数
在上述位移载荷作用下，可断裂体3a和3b将发生断裂，元胞有限元模型将经历从完好到断裂的相变过程。Abaqus软件很好地给出了这个相变过程的仿真结果。图6显示了元胞有限元模型在三种不同情形下的应变云图，其中，图6a、图6b和图6c分别对应了加载位移为1.1×10-3mm、1.65×10-3mm和9.35×10-3mm时的情形，且这三种情形下结构的平均应变分别为1×10-4、1.5×10-4和8.5×10-4；而图7显示了元胞有限元模型的应力云图，其中，图7a、图7b和图7c也分别对应了加载位移为1.1×10-3mm、1.65×10-3mm和9.35×10-3mm时的情形。为了使显示效果更加清晰和明显，图6和图7中的结构变形均通过Abaqus软件自带的后处理放大了10倍。由图6c和图7c可以明显地看出，此时结构中的可断裂体3a和3b已经发生了明显的断裂。
进一步，根据上述软件仿真分析所获取的应变和应力数据，对单个元胞结构整体进行应变和应力关系分析，以获取结构的刚度和韧性等特性。分析得到单个元胞的平均应力-应变变化曲线如图8所示，其中，横坐标表示单位体积的平均应变，而纵坐标表示单位体积的平均应力。
图8反映了结构在受到轴向拉伸外载荷作用时结构的应力和应变变化过程，图中点g表示可断裂体3开始发生断裂的时刻，而点k表示可断裂体3已经完全断裂的时刻。一方面，由于应力-应变变化曲线的斜率表示了结构的等效弹性模量，由图7可以很容易看出，应力-应变曲线的斜率在断裂前(曲线的o-g部分)和断裂后(曲线的k-m部分)发生了明显的改变，即结构的拉伸弹性模量发生了变化，这也就意味着结构刚度的改变，而且，在断裂后，曲线的斜率变小，即结构的弹性模量变小，结构出现了刚度折减。另一方面，由于应力-应变变化曲线下的面积代表了外载荷在结构变形过程中所做的功，也相当于是结构在变形过程中所耗散的外部能量，由图8不难看出，通过在结构中预设可断裂体，使得应力应变曲线的o-g-k部分与线段k-n、线段o-n所围成的面积明显大于三角形okn的面积，这意味着所设计的预设有可断裂体的结构在可断裂体发生断裂的过程中，耗散了更多外载荷输入的能量
本发明基于传统的交错仿生复合结构，对两个硬质体的连接和结合部分进行了特别设计，使其具备仿生物材料“牺牲键”的特性，即在结构中预设有在外部轴向拉伸载荷下会发生断裂的可断裂体。在外载荷的作用下，可断裂体的预设断裂过程将产生额外的能量耗散，从而实现结构韧性的增强，这就较好地模拟了牺牲键结构中的弱键。此外，单个元胞在可断裂体发生断裂前后具有两种不同的本构特征，使得元胞结构的等效抗拉刚度也随之改变，进而使得整体结构的刚度可变。
值得指出的是，尽管结构中的可断裂体在发生预设断裂后不再具备承载能力，但结构中的硬质体和软基体仍然可以通过正应力和切应力的“剪切链式”应力传递链使结构保持承载能力，也就是说，此时结构的强度仍可由硬质体和软基体的强度参数来综合决定，而几乎不受可断裂体发生断裂的影响。
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 (8)
1.一种仿生交错层叠薄板结构，其特征在于，包括多个平行布置的硬质体(1)、多个平行布置的软基体(2)、以及多个可断裂体(3)，所述硬质体(1)与软基体(2)的外形均呈长条形且在竖直方向上依次交错排列，所述可断裂体(3)设置于相邻的两所述硬质体(1)之间且能够在外部轴向拉伸载荷作用下发生断裂。
2.如权利要求1所述的仿生交错层叠薄板结构，其特征在于，整体结构具有周期性和重复性，可以由一个元胞(5)先通过竖直和水平方向上的两次镜像、后进行线性阵列的方式得到，所述元胞(5)为整体结构的一个最小分析单元。
3.如权利要求2所述的仿生交错层叠薄板结构，其特征在于，所述元胞(5)在结构上关于处于内部的软基体(2)的中心点呈中心对称。
4.如权利要求1所述的仿生交错层叠薄板结构，其特征在于，所述可断裂体(3)的宽度和厚度均与所述硬质体(1)相同。
5.如权利要求4所述的仿生交错层叠薄板结构，其特征在于，一个所述硬质体(1)的长度等于一个所述软基体(2)的长度和一个所述可断裂体(3)的长度之和。
6.如权利要求1至5任一项所述的仿生交错层叠薄板结构，其特征在于，在两所述软基体(2)之间还存在有一个空腔(4)。
7.如权利要求6所述的仿生交错层叠薄板结构，其特征在于，所述空腔(4)的长度等于所述可断裂体(3)的长度。
8.如权利要求6所述的仿生交错层叠薄板结构，其特征在于，所述空腔(4)的宽度等于所述软基体(2)的宽度。
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| CN201911260974.2A CN111027212A (zh) | 2019-12-10 | 2019-12-10 | 一种仿生交错层叠薄板结构 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112793808A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-05-14 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种抗冲击三维仿生双相杆结构 |
| CN114894038A (zh) * | 2022-05-24 | 2022-08-12 | 湖南大学 | 一种空间交替拓扑互锁结构柔性仿生复合装甲及制备方法 |
| CN115230247A (zh) * | 2022-08-17 | 2022-10-25 | 沈阳工业大学 | 一种多区高强韧仿生抗冲击复合结构 |
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2019
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