多孔玻璃海绵轻质结构的仿生研究

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作者：

陈银河

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摘要：

海绵生物已经在地球上存活了几亿年,为了适应复杂多变的海洋环境,它们不断进化形成了独特的多孔结构.本文以多孔玻璃海绵为主要研究对象,通过仿生结构设计模拟多孔玻璃海绵骨架的微观结构,设计了三种不同的仿海绵结构. 使用有限元分析软件Ansys workbench对三种仿海绵结构及蜂窝结构的压缩,扭转和悬臂弯曲等静力学性能进行分析和比较,观察不同载荷下轻质结构应力集中情况,结果表明仿海绵结构II各项力学性能均比较出色.为了验证结构建模和有限元分析结果的可靠性,使用3D打印技术,以光敏树脂为原料分别制备了仿海绵结构II和蜂窝结构试样进行静力学性能测试,实验测试结果与有限元分析结果吻合. 本文还分别以仿海绵结构II和蜂窝结构作为夹芯层设计了两种轻质夹芯管,并比较了两种轻质夹芯管在压缩,扭转和弯曲载荷下的轻量因子和比刚度,结果表明仿海绵结构夹芯管的各项指标比蜂窝夹芯管均有提高.除了静力学性能,还对以这两种结构作为夹芯结构的薄壁管的稳定性能进行分析和比较.仿海绵夹芯结构薄壁管的抗压和抗扭稳定性能同样好于蜂窝夹芯薄壁管. 以仿海绵I结构为模型,以碳纤维预浸料布为原料,开展碳纤维轻质结构铺层工艺的研究.以模压成型和升温固化为工艺基础,设计了平铺和编织缠绕两种铺层方式,并对以这两种工艺制备试样的力学性能进行测试和比较,分析两种工艺对结构力学性能的影响.此外,还以铝合金为原料制备了仿海绵轻质管,通过实验测试,比较碳纤维和铝合金两种材料对仿海绵结构力学性能的影响.

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关键词：

多孔玻璃海绵 仿海绵结构 碳纤维预浸料 应力集中 力学性能

学位级别：

硕士

学位年度：

2017