馬玉秋,郭策*,,陳光明,戴寧,管吉鋼,何湘鵬

(1. 南京航空航天大學(xué) 仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所,南京 210016;2. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,南京 210016;3. 南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院,南京 210016)

自然界生物為適應(yīng)自身生存的環(huán)境,在經(jīng)歷長(zhǎng)期的進(jìn)化后形成各具特色的材料結(jié)構(gòu)和性能,如甲蟲(chóng)在經(jīng)過(guò)上億年進(jìn)化后形成高強(qiáng)高韌的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料-鞘翅,鞘翅優(yōu)異的力學(xué)性能使其成為航空航天和深空探測(cè)領(lǐng)域輕質(zhì)、高強(qiáng)韌結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)和優(yōu)化的理想仿生對(duì)象[1-2]。

甲蟲(chóng)鞘翅所具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有多種優(yōu)異的性能,目前關(guān)于甲蟲(chóng)鞘翅的研究主要集中在3個(gè)方面[3]:1) 鞘翅表面形貌研究;2) 斷面微結(jié)構(gòu)及其仿生結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究;3) 鞘翅仿生復(fù)合材料研究。Zaheri等[4]探索無(wú)花果蟲(chóng)鞘翅發(fā)現(xiàn)成蟲(chóng)鞘翅中纖維呈現(xiàn)雙螺旋鋪排方式,而幼蟲(chóng)時(shí)期纖維正交鋪排,并使用3D打印技術(shù)驗(yàn)證了纖維鋪排方式對(duì)應(yīng)鞘翅的功能適應(yīng)性;Gorb[5]研究認(rèn)為,昆蟲(chóng)表皮結(jié)構(gòu)非常特殊,這使其能夠在垂直的光滑表面上進(jìn)行活動(dòng),表皮的附著原理隨結(jié)構(gòu)的差異而不同,常見(jiàn)的附著結(jié)構(gòu)大致可分為夾、鉤、黏性分泌物、鎖、吸盤(pán)、墊、膨脹錨、摩擦等。這些對(duì)昆蟲(chóng)表面結(jié)構(gòu)的研究為進(jìn)一步設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)仿生結(jié)構(gòu),為制備具有類昆蟲(chóng)表面結(jié)構(gòu)的材料表面奠定了基礎(chǔ);吉林大學(xué)任露泉等[6]以臭蜣螂甲蟲(chóng)為研究對(duì)象,通過(guò)觀測(cè)鞘翅表面形貌來(lái)分析非光滑凸起的分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)蜣螂鞘翅表面的非光滑幾何結(jié)構(gòu)的單元大小符合高斯型分布,并分析了非光滑單元結(jié)構(gòu)分布對(duì)表面減粘降阻的影響;楊志賢等[7]研究了東方龍虱鞘翅的斷面結(jié)構(gòu),指出鞘翅由背壁層、腹壁層和中空夾芯層構(gòu)成,背壁層、腹壁層之間由橋墩狀纖維組織空心柱體結(jié)構(gòu)連接,以提高其力學(xué)性能;陸振玉等[8]將一種新型的仿甲蟲(chóng)鞘翅輕質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于飛機(jī)大開(kāi)口區(qū)的筋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化后開(kāi)口區(qū)加筋結(jié)構(gòu)總質(zhì)量減少15%,屈曲因子較優(yōu)化前提高21%,結(jié)構(gòu)最大位移較優(yōu)化前減少20%;周怡等[9]根據(jù)東方龍虱鞘翅微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出具有層狀纖維纏繞方式的仿生輕質(zhì)結(jié)構(gòu),通過(guò)與無(wú)纖維纏繞的結(jié)構(gòu)分析對(duì)比得出有纖維纏繞的仿生輕質(zhì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能更加優(yōu)異。

筆者以白星花金龜鞘翅為研究對(duì)象,利用掃描電鏡(SEM)對(duì)鞘翅的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)在鞘翅表皮層中,幾丁質(zhì)纖維存在雙螺旋鋪排以及經(jīng)緯交織兩種鋪排方式,并在鞘翅的橫斷面中觀察到空腔小柱結(jié)構(gòu)。根據(jù)鞘翅微觀結(jié)構(gòu)特征,本文設(shè)計(jì)了兩種鋪層角度的仿生復(fù)合材料層合板,利用ABAQUS/Explicit對(duì)仿生層合板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能分析,并評(píng)價(jià)其韌性;進(jìn)一步根據(jù)鞘翅斷面中的空腔小柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出兩種仿鞘翅芯體結(jié)構(gòu),將仿生纖維雙螺旋鋪排層合板和仿生芯體結(jié)構(gòu)組合,形成新型高韌性仿鞘翅夾芯結(jié)構(gòu),并以同質(zhì)量的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)為參考結(jié)構(gòu),開(kāi)展結(jié)構(gòu)斷裂韌性的評(píng)價(jià)與對(duì)比研究;并進(jìn)一步與蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮性能對(duì)比,以測(cè)評(píng)所設(shè)計(jì)的仿鞘翅輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的承壓能力。

1 甲蟲(chóng)鞘翅纖維觀測(cè)

1.1 甲蟲(chóng)鞘翅力學(xué)性能

由于生物飛行和人類航空航天對(duì)材料比強(qiáng)度、比剛度及韌性有著共同的要求, 經(jīng)過(guò)高度優(yōu)化的生物自然復(fù)合材料——鞘翅的細(xì)觀結(jié)構(gòu)非常類似于我們今天廣泛使用的人工合成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[10-11]。楊志賢等[12]對(duì)4種不同種類的鞘翅進(jìn)行材料力性能測(cè)試,得到白星花金龜平均硬度為0.44 GPa,平均彈性模量為9.08 GPa;陳斌等[13]根據(jù)綠色金龜子鞘翅組織的增強(qiáng)纖維的鋪層機(jī)理制備出仿生雙螺旋鋪層復(fù)合材料和仿生預(yù)成形空洞復(fù)合材料比常規(guī)鋪層層合板有更高的斷裂韌性和強(qiáng)度。這些都表明白星花金龜鞘翅是一種輕質(zhì)、高比強(qiáng)度生物復(fù)合材料,為本文設(shè)計(jì)仿生輕質(zhì)高強(qiáng)韌復(fù)合材料提供了生物模板。

1.2 鞘翅斷面微觀結(jié)構(gòu)

甲蟲(chóng)鞘翅內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)及生物材料的拓?fù)浞植家?guī)律與其力學(xué)性能密切相關(guān)。白星花金龜鞘翅橫斷面的微結(jié)構(gòu)如圖1所示,鞘翅的上、下表皮層鋪設(shè)10數(shù)層厚約2 μm的幾丁質(zhì)纖維層,構(gòu)成鞘翅的背壁和腹壁結(jié)構(gòu),而鞘翅相鄰層中幾丁質(zhì)纖維鋪層形式有兩種:經(jīng)緯交織和雙螺旋鋪層。經(jīng)緯交織特征為表皮層中部分區(qū)域的相鄰纖維層正交鋪排,而雙螺旋鋪層結(jié)構(gòu)特征為兩相鄰鋪層纖維取向的夾角約為80°,兩相間層纖維方向的夾角相差約30°(圖1c)),Zaheri指出纖維這種雙螺旋鋪層體現(xiàn)了功能適應(yīng)性,并且有效提高了鞘翅的韌性[4];在鞘翅斷面可見(jiàn)其背壁和腹壁連接著直徑為60～75 μm的小柱結(jié)構(gòu)(圖1d)),同時(shí)小柱與小柱之間分布著加強(qiáng)筋板(圖1e)、藍(lán)色方框),這種小柱-加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)特征能夠有效減輕鞘翅的重量,同時(shí)保證其有足夠的強(qiáng)度和韌性[14]。

圖1 白星花金龜鞘翅斷面微觀結(jié)構(gòu)圖

1.3 仿甲蟲(chóng)鞘翅顯微雙螺旋鋪排復(fù)合材料設(shè)計(jì)

從上述對(duì)白星花金龜鞘翅的微觀結(jié)構(gòu)特征出發(fā),進(jìn)行仿鞘翅輕質(zhì)高韌夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于生物體的復(fù)雜性,很難而且也沒(méi)有必要完全原封不動(dòng)地照搬生物模型,應(yīng)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。本文依據(jù)白星花金龜鞘翅上表皮中觀測(cè)到的纖維雙螺旋鋪層與經(jīng)緯交織兩種鋪排方式設(shè)計(jì)了兩種仿生復(fù)合材料層合板,兩種仿生層合板鋪層角度分別為[0/90]6和[0/80/30/110/60/140/90/170/120/200/150/230](如圖2a)、圖2b)所示);以碳纖維-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料為材料[15],研究鋪層角度對(duì)結(jié)構(gòu)斷裂韌性的影響。

圖2 兩種層合板的有限元模型

1.4 芯體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

白星花金龜鞘翅中小柱內(nèi)部是蛋白質(zhì)芯,外部由幾丁質(zhì)纖維纏繞而成,鞘翅的小柱-加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)是保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和減輕結(jié)構(gòu)重量的主要因素[7,13-14]?；谶@種鞘翅斷面的微觀結(jié)構(gòu)特征,對(duì)小柱-加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,由此提出兩種新型仿白星花金龜鞘翅夾芯結(jié)構(gòu),兩種芯體結(jié)構(gòu)均由4個(gè)空心小柱構(gòu)成的正方形單元排布而成,芯體結(jié)構(gòu)Ⅰ的空心小柱在內(nèi)外壁周向均勻分布有薄板狀加強(qiáng)筋,如圖2c)所示;芯體結(jié)構(gòu)Ⅱ的空心小柱內(nèi)外壁周向則分布有柱狀加強(qiáng)筋,如圖2e)所示;芯體單元的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如圖2d)、圖2f)所示。

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌性分析

2.1 韌性的評(píng)價(jià)

韌性是結(jié)構(gòu)材料在斷裂前吸收能量和進(jìn)行塑性變形的能力[16],包括斷裂韌性和沖擊韌性。航空航天飛行器在飛行過(guò)程中,長(zhǎng)期經(jīng)受復(fù)雜載荷作用,極易發(fā)生斷裂失效,因此研究具有良好抗斷裂韌性的復(fù)合夾芯結(jié)構(gòu)對(duì)于航天器的發(fā)展具有重要意義。

斷裂韌性的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有KIC、J積分、能量吸收U等[16-17],根據(jù)文獻(xiàn),可通過(guò)對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能分析,并計(jì)算曲線下的積分面積來(lái)表征結(jié)構(gòu)的斷裂韌性[17-20]。

(1)

式中:δ為位移;F為載荷。

2.2 層合板三點(diǎn)彎曲有限元分析

2.2.1 有限元模型的建立

分別建立如圖2所示的兩種層合板的有限元模型。采用商用有限元軟件ABAQUS/Explicit對(duì)復(fù)合材料試件的三點(diǎn)彎曲過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。參照GBT/1449《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》[21],選定碳纖維復(fù)合材料層合板三維模型尺寸為80 mm×15 mm×1.92 mm,共有12層,鋪層角度參考節(jié)1.3;每個(gè)單層板使用殼單元SC8R來(lái)模擬,在層與層之間設(shè)置插入3D無(wú)厚度粘接層,粘接單元類型為COH3D8(cohesive單元)[22-23],壓頭和支撐座為剛性體,單元類型為R3D4;邊界條件為兩端簡(jiǎn)在上壓頭施加向下位移載荷,層合板有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 層合板有限元模型

2.2.2 材料屬性

材料采用碳纖維T300,其材料屬性如圖見(jiàn)表1,Cohesive單元的屬性見(jiàn)表2。

表1 單層碳纖維板材料參數(shù)及力學(xué)性能

表2 Cohesive界面層屬性參數(shù)[23]

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

在兩種復(fù)合材料層合板有限元模型中的上壓頭設(shè)置參考點(diǎn),輸出約束反力RF和位移U[24]。從兩者的位移-載荷圖中可以看出:初始兩者的載荷均呈現(xiàn)明顯的線性變化,隨之復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)局部的纖維斷裂,由于纖維在復(fù)合材料中起增強(qiáng)作用,纖維斷裂意味著結(jié)構(gòu)局部承載能力的削弱,壓頭繼續(xù)下壓,纖維層繼續(xù)發(fā)生斷裂,載荷出現(xiàn)波動(dòng)。

圖4 層合板三點(diǎn)彎曲位移-載荷曲線

由兩種層合板結(jié)構(gòu)的載荷-位移曲線所包絡(luò)的面積積分可知,仿生雙螺旋層合板的韌性比0～90°更加優(yōu)異。具體結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 兩種層合板力學(xué)性能對(duì)比

2.3 仿鞘翅夾芯結(jié)構(gòu)斷裂韌性的有限元分析

2.3.1 仿鞘翅夾芯結(jié)構(gòu)的有限元模型建立

將具有仿生雙螺旋鋪層層合板的仿生輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成梁結(jié)構(gòu),并按照GB/T 1456-2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》[25]確定梁的結(jié)構(gòu)尺寸為260 mm×60 mm×15.92 mm,跨距為160 mm,壓頭和支撐座半徑為5 mm。建立仿生夾芯梁的有限元分析模型,使用殼單元S4R劃分面板和芯體結(jié)構(gòu),芯體和面板之間的接觸設(shè)置為點(diǎn)-面綁定接觸,壓頭和支撐座為剛性體,單元類型為R3D4,支撐座為支點(diǎn)簡(jiǎn)支,在上壓頭施加向下位移載荷,有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

圖5 仿生夾芯結(jié)構(gòu)的有限元模型

2.3.2 芯體結(jié)構(gòu)材料的選擇及屬性

考慮芯體單元結(jié)構(gòu)及其陣列的復(fù)雜性,本文擬采用3D打印技術(shù)制備,材料選擇鈦合金TC4[26],其材料屬性見(jiàn)表4。

表4 TC4力學(xué)性能

2.3.3 有限元分析

按照2.1節(jié)斷裂韌性的計(jì)算公式對(duì)本文提出的仿鞘翅夾芯結(jié)構(gòu)與蜂窩結(jié)構(gòu)的韌性在質(zhì)量相當(dāng)?shù)臈l件下進(jìn)行對(duì)比分析。首先對(duì)3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能分析,得到其應(yīng)力云圖如圖6和載荷-位移曲線圖7所示。從圖6中可以看出,隨著位移載荷的施加,夾芯結(jié)構(gòu)的面板與芯體均開(kāi)始出現(xiàn)輕微破壞,破壞區(qū)主要集中在壓頭區(qū)域下方。從圖7載荷-位移曲線圖中可以看出:仿生輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)Ⅰ和Ⅱ型的初始破壞載荷約為12 500 N,而蜂窩結(jié)構(gòu)的破壞載荷約為10 000 N,仿鞘翅結(jié)構(gòu)的抗彎能力明顯優(yōu)于蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步按照公式(1)計(jì)算3種結(jié)構(gòu)的斷裂韌性,可知蜂窩結(jié)構(gòu)的韌性最低為207.35 J,而仿鞘翅結(jié)構(gòu)Ⅱ的斷裂韌性最高為292.49 J。

圖6 3種夾芯結(jié)構(gòu)三點(diǎn)彎曲應(yīng)力云圖

圖7 3種夾芯結(jié)構(gòu)位移-載荷曲線

具體結(jié)果見(jiàn)圖8,仿生夾芯結(jié)構(gòu)Ⅱ型的斷裂韌性比蜂窩結(jié)構(gòu)提高41%,由此可見(jiàn),本文所設(shè)計(jì)的仿生輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的韌性。

圖8 3種夾芯結(jié)構(gòu)韌性分析數(shù)據(jù)

3 芯體結(jié)構(gòu)的承壓能力分析

3.1 有限元模型的建立

本文以工程中常用的蜂窩結(jié)構(gòu)作為參照結(jié)構(gòu),對(duì)比分析所設(shè)計(jì)的兩種仿生輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)的承壓性能。在ABAQUS/Explicit中分別建立仿鞘翅夾芯結(jié)構(gòu)和蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的有限元模型,模型均采用S4R殼單元離散,上、下面板設(shè)為剛體,單元類型為R3D4,在上面板施加位移載荷,下面板固定。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

為了分析比較本文所提出的兩種仿鞘翅結(jié)構(gòu)與蜂窩結(jié)構(gòu)的抗壓能力,提取3種每個(gè)子步下的底面約束反力和位移,即可得到相應(yīng)結(jié)構(gòu)模型的載荷-位移曲線,如圖9d)所示,一開(kāi)始載荷力呈明顯的線性變化,即處于線彈性階段;而當(dāng)達(dá)到臨界屈曲后載荷隨位移的變化非常小,進(jìn)入了彈塑性和塑性坍塌階段,具體結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖9 3種結(jié)構(gòu)模型及其位移-載荷曲線

圖10 3種夾芯結(jié)構(gòu)壓縮力學(xué)性能對(duì)比

由圖10可知,在質(zhì)量相近的條件下,仿生輕質(zhì)結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ的壓縮強(qiáng)度與蜂窩結(jié)構(gòu)的抗壓能力接近,這說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)的輕質(zhì)仿鞘翅夾芯結(jié)構(gòu)不僅具有優(yōu)異的斷裂韌性,而且具有較好的承載能力。

4 結(jié)論

1) 本文通過(guò)對(duì)白星花金龜鞘翅的形態(tài)學(xué)觀測(cè),發(fā)現(xiàn)鞘翅表皮層中纖維具有雙螺旋和經(jīng)緯兩種鋪層方式,對(duì)比分析了兩種鋪層層合板的斷裂韌性,選擇雙螺旋層合板作為面板,并根據(jù)鞘翅斷面微觀結(jié)構(gòu)提出兩種仿生芯體結(jié)構(gòu),將面板、芯體結(jié)合形成新型仿生夾芯結(jié)構(gòu)。

2) 確定了斷裂韌性的評(píng)價(jià)方法,對(duì)斷裂韌性分析的結(jié)果表明本文所提出的仿生夾芯結(jié)構(gòu)Ⅱ的斷裂韌性明顯優(yōu)于蜂窩夾芯結(jié)構(gòu),韌性提高了約為41%;對(duì)承壓性能的分析結(jié)果表明仿生芯體結(jié)構(gòu)與蜂窩結(jié)構(gòu)的承壓能力相近。可見(jiàn),本文所設(shè)計(jì)的輕質(zhì)仿鞘翅夾芯結(jié)構(gòu)不僅具有優(yōu)異的斷裂韌性,而且具有較好的承載能力。

3) 本文初步完成了仿生輕質(zhì)高強(qiáng)韌夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和仿真分析工作,后續(xù)將利用3D打印金屬工藝技術(shù)制備仿生芯體結(jié)構(gòu),完成仿生輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)部分,為工程實(shí)踐應(yīng)用的輕質(zhì)高強(qiáng)高韌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新的方法和理念。