一体化仿生蜂窝板的基本力学性能研究

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蜂窝夹层结构(蜂窝板)由于具有轻质、比强度和比刚度高、可设计性好等优点,已经在航空航天、交通、建筑等领域得到广泛应用。以往蜂窝板的面板和芯层通常是单独制作,然后通过粘结或机械方法连接成整体(多体成型法),因此存在面板与芯层界面的薄弱问题。陈锦祥教授受甲虫前翅中的一体化蜂窝结构的启发,提出了一体化仿生蜂窝板的技术,有效解决了上述的问题。为此,本文首先阐述了一体化蜂窝板制备技术在本研究室甲虫仿生材料的研究开发中的定位;其次,通过对长、短纤维增强的复合材料蜂窝小柱的压缩和剪切的实验研究,考察了所仿制蜂窝板的仿真效果及其力学性能;最后,利用蜂窝板有两个面板的特点,制备了单侧胶蜂窝板,由此对仿生一体化蜂窝板与多体成型蜂窝板的力学性能进行了分析。全文除前言和结论外,分成如下三个方面进行了论述。  (1)对本研究室中甲虫前翅的结构及其仿生材料的开发进展情况作了较为全面的归纳和阐述。由此明确了一体化仿生蜂窝板技术在本研究室的甲虫仿生中的定位,同时为同行了解本研究室的甲虫前翅仿生进展情况提供了一个方便和快速的通道。  (2)为了探讨本次仿制过程中用短纤维替代生物原型中的长纤维所造成的失真程度,通过对长、短纤维增强小柱的压缩和剪切的实验研究,考察了它们的破坏形态和力学性能,据此探讨了仿生一体化蜂窝板在压缩和剪切力学性能上的仿真效果及其力学特性。结果表明:压缩和剪切强度的接近程度约为80%和70%。但与现有的同类仿真样品相比,质量比强度有显著提高,因此此种仿制方法仍然是目前最为有效的;在抗压刚度上,接近程度约为85%;在抗剪切刚度上则更为接近,特别是第二阶段高达200%以上。这是由于在剪切阶段Ⅱ,与剪切荷载成一定角度或平行排列的纤维,以受拉的受力形式发挥了纤维拉伸强度大的优势所致。  (3)通过对单侧胶接蜂窝板的力学实验,考察了仿生蜂窝板的压缩和弯曲力学特性。结果表明:即便蜂窝板发生(蜂窝芯)受压破坏,也不出现突然压瘫而导致载荷快速下降的现象,并比张氏等用针钆方法制备的同类仿生夹芯板具有更好的压缩性能;在弯曲性能上,胶接面的存在和胶接质量对蜂窝板的弯曲刚度影响不大,但会影响到蜂窝板的破坏模式及弯曲破坏强度。由于本次仿生蜂窝板不存在面板-芯层之间的胶接面,最终破坏由材料破坏控制,因此具有能充分发挥材料的力学性能、整体性好的优点。
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