CN107300121A

CN107300121A - 基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构

Info

Publication number: CN107300121A
Application number: CN201710545925.8A
Authority: CN
Inventors: 郭策; 黄秋野; 张鹏飞; 俞志伟; 陈银河; 马耀鹏; 李龙海; 苏杭; 韩铖
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2017-10-27

Abstract

本发明公开了一种基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构，包括：0°支撑筋、90°支撑筋、45°螺旋支撑筋和‑45°螺旋支撑筋；四种支撑筋交接形成八角网孔‑斜“井”字网孔交替的网格结构。本发明的有益效果为：采用本发明管状结构的轻质夹芯管与传统的蜂窝夹芯管相比，在相同质量情况下具有更优的抗压和抗扭性能，从材料结构的层面上解决航空航天领域对管(筒)状材料轻量化的需求。

Description

基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构

技术领域

本发明涉及结构材料领域，尤其是一种基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构。

背景技术

多孔玻璃海绵生长于深海中，是一种古老的生物，经过漫长岁月的进化，它们的骨骼已形成十分独特的多孔结构。它的壁厚通常只有1-2mm，最长却可以生长到2m，它们的躯干十分坚硬，为了防止被洋流折断和卷走，形成了一种能有效承受载荷的高强度多孔骨架结构，近年来成为各国学者研究轻质高强结构的理想仿生模板。

多孔玻璃海绵的体壁呈圆筒状，由经向骨针、纬向骨针和螺旋骨针互相交织构成，形成无数小孔，称为壁孔。体外壁有锯齿状的隆起，称为壁脊。科学家通过观测其骨骼的微观结构，发现其骨骼由硅质骨针构成，骨针往往连接形成立体格栅，构成独特的网格结构。这种网格结构有两种网孔，一种是八角形网孔，另一种是斜“井”字网孔，两种网孔交替排列，形成整个骨骼的网格结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构，在相同质量情况下具有更优的抗压和抗扭性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构，包括：0°支撑筋、90°支撑筋、45°螺旋支撑筋和-45°螺旋支撑筋；四种支撑筋交接形成八角网孔-斜“井”字网孔交替的网格结构。

优选的，0°支撑筋和90°支撑筋将胞元分为a、b、c和d4个小单元，对角的2个单元完全相同。

优选的，每个小单元内均有4根螺旋支撑筋，4根螺旋支撑筋直接与边界交接构成正八边形，或先交接形成斜“井”字再与边界交接。

优选的，在管状结构的外壁增加正向和反向的双螺旋外脊，脊峰夹角45°；每一正或反螺旋脊在上升半圈之后转角90°，再反或正螺旋上升。

优选的，管状结构作为夹芯层或加强筋与内外蒙皮连接形成夹芯管或加筋管。

优选的，管状结构作为加强筋与内蒙皮连接形成加筋管。

本发明的有益效果为：采用本发明管状结构的轻质夹芯管与传统的蜂窝夹芯管相比，在相同质量情况下具有更优的抗压和抗扭性能，从材料结构的层面上解决航空航天领域对管(筒)状材料轻量化的需求。

附图说明

图1是本发明的基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构的三维示意图。

图2是本发明的基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构网孔二维展开示意图。

图3是本发明的外壁加螺旋脊、基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构的三维示意图。

图4是本发明的外壁加螺旋脊、基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管的加脊结构网孔二维展开示意图。

图5是以基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构为夹芯，内外表面附有蒙皮的夹芯管示意图。

图6是以基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构为加强筋，外表面附有蒙皮的加筋管的局部示意图。

图7是以基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构为加强筋，内表面附有蒙皮的加筋管示意图。

图8是以外壁加螺旋脊、基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构为加强筋，内表面附有蒙皮的加筋管示意图。

图9是作为参照轻质管，基于蜂窝结构的仿生多孔轻质管状结构三维示意图。

图10是仿玻璃海绵多孔轻质管状结构与蜂窝管状结构的压缩载荷-位移曲线对比图。

图11是仿玻璃海绵多孔轻质管状结构与蜂窝管状结构的扭矩-角位移曲线对比图。

图12是仿玻璃海绵多孔轻质管状结构与蜂窝管状结构的悬臂弯矩-位移曲线对比图。

图13是以基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构为夹芯，内外表面附有蒙皮的夹芯管与蜂窝夹芯管的压缩-位移曲线对比图。

图14是以基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构为夹芯，内外表面附有蒙皮的夹芯管与蜂窝夹芯管的扭转-角位移曲线对比图。

图15是以基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构为夹芯，内外表面附有蒙皮的夹芯管与蜂窝夹芯管的悬臂弯曲-位移曲线对比图。

其中，1、0°支撑筋；2、90°支撑筋；3、45°螺旋支撑筋；4、-45°螺旋支撑筋；5、外壁螺旋脊；6、夹芯层或加强筋；7、内蒙皮；8、外蒙皮；9、蜂窝夹芯孔。

具体实施方式

如图1所示，一种基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构，由四个方向交叉的支撑筋螺旋缠绕构成；包括0°支撑筋、90°支撑筋、45°螺旋支撑筋和-45°螺旋支撑筋；四种支撑筋交接形成八角网孔-斜“井”字网孔交替的网格结构。

如图2所示，是仿玻璃海绵结构网格胞元的二维展开结构，0°和90°支撑筋形成边界将胞元分为a、b、c和d共4个小单元，对角的两个单元完全相同，如a和d，b和c。每个单元内均有4根倾斜(45°和-45°)支撑筋，单元内的4根倾斜支撑筋直接与边界交接构成正八边形(如b和c)，或者先交接形成斜“井”字再与边界交接(如a和d)。

如图3所示，在仿海绵多孔轻质管状结构的基础上，在外壁增加了双向的螺旋外脊，脊峰夹角45°。根据多孔玻璃海绵生物的螺旋脊特点，它们一般生长于一对螺旋纤维之上，并且是间隔生长，一般正(或反)螺旋上升半圈之后转角90°，再反(或正)螺旋上升。因此，仿海绵结构的螺旋脊设计如图4中黑实线所示，其中仿海绵结构倾斜支撑筋编号为0～15，相互平行且相邻的两道螺旋支撑筋为一组，如1和2为一组，3和4为一组，5和6为一组等等。如果某一组(1和2)螺旋纤维生长了螺旋脊，那么与它相邻且同向的两组螺旋纤维(13和14，5和6)就不会生长。

如图5～图7所示，仿玻璃海绵结构可以作为夹芯层或加强筋与内外蒙皮连接形成夹芯管或者加筋管(筒)结构。

图8所示，外壁加螺旋脊、仿玻璃海绵结构作为加强筋可以与内蒙皮连接形成加筋管(筒)结构。

本发明以玻璃海绵的网孔结构为仿生对象，设计出两种轻质多孔仿玻璃海绵管状结构。并利用有限元分析软件，以轻量因子(结构承受的最大载荷与结构质量之比)为衡量标准，分别在压缩、扭转和悬臂弯曲载荷作用下，将仿玻璃海绵轻质管与传统蜂窝管的轻量因子进行对比，如图10～图12所示。结果表明外壁加螺旋脊的仿玻璃海绵轻质管结构的力学性能最好，但在压缩和悬臂弯曲条件下，其轻量因子较无螺旋脊的仿玻璃海绵轻质管略小。在三种载荷条件下，无螺旋脊的仿玻璃海绵轻质管结构轻量因子较蜂窝管分别提升了47.6％、96.0％和222.8％，而外壁加螺旋脊的仿玻璃海绵轻质管结构的轻量因子较蜂窝管分别提升了41.3％、242.1％和81.5％。使用3D打印技术，以光敏树脂为原料分别制备仿玻璃海绵轻质管和蜂窝管试件，并使用万能试验机对其进行相应的力学性能实验，实验结果与有限元分析结果吻合。

分别以仿玻璃海绵结构和蜂窝结构做为夹芯层，设计了仿玻璃海绵夹芯管和蜂窝夹芯管，利用有限元软件分别在压缩、扭转和悬臂弯曲载荷下，对两种结构的轻量因子和比刚度进行分析和对比，如图13～图15所示，结果表明仿玻璃海绵夹芯管与蜂窝夹芯管的抗压和抗弯轻量因子相近，但前者具有更高的比刚度。同时仿玻璃海绵夹芯管的抗扭性能和比刚度分别比蜂窝夹芯管提高了26.6％和18.7％。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims

1.一种基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构，其特征在于，包括：0°支撑筋、90°支撑筋、45°螺旋支撑筋和-45°螺旋支撑筋；四种支撑筋交接形成八角网孔-斜“井”字网孔交替的网格结构。

2.如权利要求1所述的基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构，其特征在于，0°支撑筋和90°支撑筋将胞元分为a、b、c和d四个小单元，对角的2个单元完全相同。

3.如权利要求2所述的基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构，其特征在于，每个小单元内均有4根螺旋支撑筋，4根螺旋支撑筋直接与边界交接构成正八边形，或先交接形成斜“井”字再与边界交接。

4.如权利要求1所述的基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构，其特征在于，在管状结构的外壁增加正向和反向的双螺旋外脊，脊峰夹角45°；每一正或反螺旋脊在上升半圈之后转角90°，再反或正螺旋上升。

5.如权利要求1所述的基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构，其特征在于，管状结构作为夹芯层或加强筋与内外蒙皮连接形成夹芯管或加筋管。

6.如权利要求4所述的基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构，其特征在于，管状结构作为加强筋与内蒙皮连接形成加筋管。