甲虫鞘翅微结构的仿生设计及其力学性能研究

摘要

经过上百万年的进化，甲虫发展出了与其生活环境相适应的具有特殊构造和功能的鞘翅。为研究鞘翅的微观结构，本文以东方龙虱的鞘翅为主要研究对象，对鞘翅的切片的制作方法进行了研究，并比较了不同软化鞘翅方法的切片效果，为重构鞘翅的三维结构奠定了基础。
　　 对鞘翅的不同方向的断面微结构进行了观测和分析，由此推断鞘翅不同方向的断面微结构是相似的，鞘翅的断面是由背壁、腹壁、内部圆形或椭圆形的空腔以及空腔结构之间的小柱孔结构构成。本文根据鞘翅减重结构的特点，同时结合其他相关研究，对鞘翅结构进行了合理的简化，设计了三种甲虫鞘翅轻质结构模型。
　　 利用有限元分析软件ANSYS Workbench，建立了三种仿鞘翅轻质结构的有限元模型，对三种仿生结构分别进行力学性能分析，计算得到三种仿生结构的力一位移曲线以及刚度、强度值，分析比较了三种仿生结构的比刚度、比强度值，结果表明仿生结构Ⅱ的比刚度和比强度最大，性能最优，也与原生物结构最相似。同时为验证有限元模型的有效性和分析结果的正确性，利用三维打印机制造出了三种仿生结构的模型，在万能试验机上对三种结构模型进行了力学性能实验，实验结果与有限元分析结果的比较证明了有限元模型和分析的有效性和可靠性。
　　 以ANSYS Workbench的协同优化平台，基于实验设计(DOE)优化技术，在Solidworks软件建立仿生结构的参数化模型，同时连接到ANSYS Workbench软件中，以主要影响结构强度尺寸参数为设计变量，对仿生结构Ⅱ进行了优化设计计算。经多次变参数优化分析计算，给出了结构的最优化结果，优化后的结构应力集中处的应力值明显减小，改善了应力分布情况，使其分布更加均匀，比刚度和比强度值分别提高了21.6％和35.9％。

目录

文摘

英文文摘

图清单

表清单

第一章 绪论

1.1 仿生学简介

1.1.1 仿生学概念

1.1.2 仿生学的分类及其应用

1.1.3 仿生学发展方向

1.2 课题的研究背景及意义

1.2.1 昆虫仿生学的研究情况

1.2.2 轻质、高强结构和材料在航空航天中的重要性

1.3 课题来源及主要研究内容

1.3.1 课题来源

1.3.2 主要的研究内容

第二章 研究对象与方法

2.1 研究对象

2.1.1 东方龙虱介绍

2.1.2 鞘翅的力学性能优势

2.2 甲虫材料的处理和组织切片的制作

2.2.1 甲虫材料的处理

2.2.2 鞘翅断面组织切片制作

2.3 扫描电镜实验

第三章 甲虫鞘翅结构研究及其仿生设计

3.1 甲虫鞘翅表面形貌

3.1.1 鞘翅外表面形貌

3.1.2 鞘翅内表面形貌

3.2 甲虫鞘翅断面微结构分析

3.2.1 横方向断面微结构

3.2.2 纵方向断面微结构

3.3 讨论

3.4 结构仿生设计方法及其注意的问题

3.4.1 结构仿生设计方法

3.4.2 结构仿生要注意的问题

3.5 仿鞘翅轻质结构设计

3.5.1 仿生轻质结构I型

3.5.2 仿生轻质结构Ⅱ型

3.5.3 仿生轻质结构Ⅲ型

3.6 本章小结

第四章 仿生轻质结构抗压力学性能的研究

4.1 有限元法概述

4.2 非线性有限元分析方法

4.2.1 非线性问题分类[45]

4.2.2 有限变形分析理论

4.2.3 非线性有限元方法

4.2.4 非线性方程的解法

4.3 仿鞘翅轻质结构的抗压性能有限元分析

4.3.1 模型的建立

4.3.2 定义材料参数和单元类型

4.3.3 网格划分

4.3.4 施加载荷及约束条件

4.3.5 求解设置

4.3.6 后处理

4.3.7 结果分析

4.4 准静态压缩实验

4.4.1 RP工艺简介

4.4.2 模型的制作

4.4.3 实验设备

4.4.4 实验步骤

4.4.5 实验结果与有限元分析结果对比

4.5 本章小结

第五章 仿生轻质结构弯曲力学性能研究

5.1 仿生结构抗弯性能的有限元分析

5.1.1 三点式弯曲有限元模型

5.1.2 定义材料参数和单元类型

5.1.3 约束条件及接触设置

5.1.4 计算结果分析

5.2 三点弯曲实验

5.2.1 实验试件

5.2.2 实验设备

5.2.3 实验原理

5.2.4 实验步骤

5.2.5 实验结果与有限元分析结果对比

5.3 本章小结

第六章 仿生轻质结构的优化设计

6.1 优化方法与步骤

6.2 基于实验设计(DOE)的优化技术

6.3 仿生结构II的优化

6.3.1 输入参数和设计变量选择

6.3.2 设计目标的定义

6.3.3 优化方法的选择

6.3.4 设计参数对仿生结构最大等效应力的影响

6.3.5 应力强度设计空间

6.3.6 优化结果及分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 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