基于碳纤维仿甲虫鞘翅结构的设计、制备及力学性能研究

摘要

甲虫鞘翅主要是用来保护甲虫的身体和飞行翅免受外界冲击等形式伤害，具有轻质、高强耐损伤的特点，是近年来开发轻质高强多功能结构材料的主要仿生对象之一。
　　本文依据鞘翅微观结构特征，设计了两种具有工艺可行性的仿鞘翅轻质结构，并以环氧树脂基碳纤维为原材料，采用模压和共固化成形方法，制备了两种仿甲虫鞘翅轻质结构。
　　分别对制备的两种仿生结构进行了准静态压缩实验，比较了其压缩性能。选择压缩性能较好的纤维连续圆形空腔结构，进一步进行有限元分析，探讨了仿生轻质结构压缩过程中的应力分布规律:纤维层应力大小及分布具有明显的层次性;周向纤维层为竖向压缩时主要受力纤维层;结构压缩过程中的剪切，主要发生在纤维层面内。
　　分别运用了最大应力失效理论、最大应变失效理论和蔡-吴失效理论，对纤维连续圆形空腔结构进行了失效过程分析。并与试样实际失效过程对比，结果表明，最大应变失效理论过于保守，蔡-吴失效理论能够较好地反映试样实际破坏部位和分层失效的破坏形式。
　　分析比较了孔隙率相同的纤维连续圆形空腔仿生结构和蜂窝结构的压缩力学性能。分析结果表明，垂直圆形空腔结构方向施加载荷时，压缩比强度和比模量均低于蜂窝结构，而圆形空腔结构轴线方向施加载荷时，仿生结构的压缩比强度和比模量均大大优于蜂窝结构，分别是铝/碳纤维复合材料蜂窝结构的8.3倍和6.2倍。表明本文所设计的仿生结构具有轻质高强特点，在航空、轨道交通以及汽车船舶等工程领域具有良好应用前景。

目录

摘要

注释表

第一章 绪论

1．1 课题来源及课题背景

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题背景

1．2 仿生结构材料及其研究现状

1．2．1 仿生结构材料

1．2．2 仿生结构材料的研究现状

1．3 仿甲虫鞘翅生物材料的研究现状

1．3．1 甲虫鞘翅表面形貌研究

1．3．2 鞘翅微结构及其力学性能的研究

1．3．3 甲虫鞘翅仿生设计研究

1．4 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

2．2 甲虫鞘翅微结构及其力学性能

2．3 仿甲虫鞘翅轻质结构设计

第三章 仿甲虫鞘翅轻质结构的制备

3．1 环氧树脂基碳纤维成形方法

3．1．1 成形材料的选择

3．1．2 结构胶粘剂的选择

3．2 环氧树脂基碳纤维复合材料成形工艺

3．2．1 模压成形工艺

3．2．2 整体成形工艺

3．3 制备工艺流程和成形模具设计

3．3．1 成形模具设计基本要求

3．3．2 工艺流程和成形模具结构设计

3．4 两种仿生结构制备方法的比较

第四章 仿生结构力学性能测试及有限元分析

4．1 准静态压缩力学性能测试

4．1．1 实验设备

4．1．2 试样制备和载荷方式

4．1．3 实验步骤

4．1．4 实验结果的比较与分析

4．1．5 单层纤维连续圆形空腔结构的压缩力学性能测试

4．2 单层纤维连续圆形空腔结构压缩力学性能的有限元分析

4．2．1 有限元模型的建立

4．2．2 边界条件及载荷设置

4．2．3 强度分析失效判据

4．2．4 结果分析

第五章 仿甲虫鞘翅轻质结构与铝蜂窝结构抗压性能比较

5．1 铝蜂窝有限元模型的建立

5．1．1 铝蜂窝结构尺寸及其材料属性

5．1．2 网格划分及边界条件

5．2 抗压性能分析比较

5．2．1 竖向方向的压缩性能比较

5．2．2 轴向方向的压缩性能比较

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

附录