甲蟲鞘翅微結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)及其力學(xué)性能研究.pdf

1、經(jīng)過上百萬年的進(jìn)化，甲蟲發(fā)展出了與其生活環(huán)境相適應(yīng)的具有特殊構(gòu)造和功能的鞘翅。為研究鞘翅的微觀結(jié)構(gòu)，本文以東方龍虱的鞘翅為主要研究對(duì)象，對(duì)鞘翅的切片的制作方法進(jìn)行了研究，并比較了不同軟化鞘翅方法的切片效果，為重構(gòu)鞘翅的三維結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。
　　 對(duì)鞘翅的不同方向的斷面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測和分析，由此推斷鞘翅不同方向的斷面微結(jié)構(gòu)是相似的，鞘翅的斷面是由背壁、腹壁、內(nèi)部圓形或橢圓形的空腔以及空腔結(jié)構(gòu)之間的小柱孔結(jié)構(gòu)構(gòu)成。本文根據(jù)鞘翅減重

2、結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合其他相關(guān)研究，對(duì)鞘翅結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的簡化，設(shè)計(jì)了三種甲蟲鞘翅輕質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。
　　 利用有限元分析軟件ANSYS Workbench，建立了三種仿鞘翅輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)三種仿生結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行力學(xué)性能分析，計(jì)算得到三種仿生結(jié)構(gòu)的力一位移曲線以及剛度、強(qiáng)度值，分析比較了三種仿生結(jié)構(gòu)的比剛度、比強(qiáng)度值，結(jié)果表明仿生結(jié)構(gòu)Ⅱ的比剛度和比強(qiáng)度最大，性能最優(yōu)，也與原生物結(jié)構(gòu)最相似。同時(shí)為驗(yàn)證有限元模型的有效性和分析結(jié)果的

3、正確性，利用三維打印機(jī)制造出了三種仿生結(jié)構(gòu)的模型，在萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)三種結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果的比較證明了有限元模型和分析的有效性和可靠性。
　　 以ANSYS Workbench的協(xié)同優(yōu)化平臺(tái)，基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)優(yōu)化技術(shù)，在Solidworks軟件建立仿生結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型，同時(shí)連接到ANSYS Workbench軟件中，以主要影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度尺寸參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，對(duì)仿生結(jié)構(gòu)Ⅱ進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。經(jīng)多次