仿甲虫鞘翅轻质结构的热学及力学性能研究

摘要

甲虫前翅是一种特殊结构和功能的生物材料,具有轻质、高强等特性,是近年来研究轻质高强多功能结构材料的主要仿生对象之一。
　　本文根据鞘翅微观结构特征,分别以不锈钢、芳纶纸以及环氧树脂基碳纤维为原材料,采用金属成形法以及模压和固化成形法,设计、制备了三种仿鞘翅轻质结构。
　　分别对三种结构进行热学水浴实验,同时利用有限元法对三种结构进行了热学分析,通过实验结果与计算结果的对比,证明了有限元法对三种结构热学计算分析的可靠性。在此基础上,利用有限元法进一步计算分析了300℃高温时三种结构的热学特性。并根据计算结果和两种复合材料的基体玻璃化温度,对仿生结构进行了改进设计。
　　分别对三种结构进行准静态压缩实验和有限元计算,并通过实验证明了有限元法计算的可靠性和准确性。在此基础上,利用有限元法进一步分析计算了高温下结构的力学特性,并与结构的常温力学特性做了对比分析。由计算分析结果可知,高温环境对三种结构的力学性能均有较大影响,无论在常温还是高温条件下,双层金属结构的压缩极限强度是最高的,而比强度是金属/碳纤维结构比较优异。
　　通过本文对仿生轻质结构力学与热学性能的研究,可以为研究多功能轻质结构材料提供新的设计思路和创新理念。

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注释表

第一章 绪论

1.1课题背景

1.2仿生学的概念及研究方向

1.3仿生材料的实例

1.4甲虫鞘翅生物材料的研究现状

1.5课题来源

1.6主要研究内容

第二章 甲虫鞘翅微结构特点及其仿生设计

2.1研究对象的确定

2.2仿甲虫鞘翅轻质结构的设计

2.3本章总结

第三章 仿甲虫鞘翅轻质结构的制备

3.1金属仿鞘翅结构的制备

3.2碳纤维仿鞘翅结构的制备

3.3芳纶纸仿鞘翅结构的制备

3.4三种双层仿鞘翅轻质结构的制备

3.5本章总结

第四章 仿鞘翅轻质结构的热学性能研究

4.1热学特性的实验测试

4.2有限元热分析及传热学的简介

4.3仿鞘翅轻质结构的有限元热分析

4.4仿生结构在高温条件下的热学性能分析

4.5仿生结构的改进设计及其热特性分析

4.6本章总结

第五章 仿鞘翅轻质结构的力学性能研究

5.1静态压缩力学性能的测试

5.2仿生结构力学性能的有限元分析与验证

5.3仿生结构在常温与高温条件下的力学性能分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2前景与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文