仿生輕質(zhì)高強韌夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計及其韌性性能分析

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,如甲蟲在經(jīng)過上億年進(jìn)化后形成高強高韌的輕質(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領(lǐng)域輕質(zhì)、高強韌結(jié)構(gòu)材料設(shè)計和優(yōu)化的理想仿生對象[1-2]。

甲蟲鞘翅所具有的獨特結(jié)構(gòu)特點使其具有多種優(yōu)異的性能,目前關(guān)于甲蟲鞘翅的研究主要集中在3個方面[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]探索無花果蟲鞘翅發(fā)現(xiàn)成蟲鞘翅中纖維呈現(xiàn)雙螺旋鋪排方式,而幼蟲時期纖維正交鋪排,并使用3D打印技術(shù)驗證了纖維鋪排方式對應(yīng)鞘翅的功能適應(yīng)性;Gorb[5]研究認(rèn)為,昆蟲表皮結(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,表皮的附著原理隨結(jié)構(gòu)的差異而不同,常見的附著結(jié)構(gòu)大致可分為夾、鉤、黏性分泌物、鎖、吸盤、墊、膨脹錨、摩擦等。這些對昆蟲表面結(jié)構(gòu)的研究為進(jìn)一步設(shè)計開發(fā)仿生結(jié)構(gòu),為制備具有類昆蟲表面結(jié)構(gòu)的材料表面奠定了基礎(chǔ);吉林大學(xué)任露泉等[6]以臭蜣螂甲蟲為研究對象,通過觀測鞘翅表面形貌來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鞘翅輕質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于飛機大開口區(qū)的筋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化后開口區(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)計出具有層狀纖維纏繞方式的仿生輕質(zhì)結(jié)構(gòu),通過與無纖維纏繞的結(jié)構(gòu)分析對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象,利用掃描電鏡(SEM)對鞘翅的微觀結(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)計了兩種鋪層角度的仿生復(fù)合材料層合板,利用ABAQUS/Explicit對仿生層合板進(jìn)行三點彎曲力學(xué)性能分析,并評價其韌性;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),開展結(jié)構(gòu)斷裂韌性的評價與對比研究;并進(jìn)一步與蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮性能對比,以測評所設(shè)計的仿鞘翅輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的承壓能力。

1 甲蟲鞘翅纖維觀測

1.1 甲蟲鞘翅力學(xué)性能

由于生物飛行和人類航空航天對材料比強度、比剛度及韌性有著共同的要求, 經(jīng)過高度優(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復(fù)合材料[10-11]。楊志賢等[12]對4種不同種類的鞘翅進(jìn)行材料力性能測試,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纖維的鋪層機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度。這些都表明白星花金龜鞘翅是一種輕質(zhì)、高比強度生物復(fù)合材料,為本文設(shè)計仿生輕質(zhì)高強韌復(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)),同時小柱與小柱之間分布著加強筋板(圖1e)、藍(lán)色方框),這種小柱-加強筋的結(jié)構(gòu)特征能夠有效減輕鞘翅的重量,同時保證其有足夠的強度和韌性[14]。

圖1 白星花金龜鞘翅斷面微觀結(jié)構(gòu)圖

1.3 仿甲蟲鞘翅顯微雙螺旋鋪排復(fù)合材料設(shè)計

從上述對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。由于生物體的復(fù)雜性,很難而且也沒有必要完全原封不動地照搬生物模型,應(yīng)進(jìn)行合理簡化。本文依據(jù)白星花金龜鞘翅上表皮中觀測到的纖維雙螺旋鋪層與經(jīng)緯交織兩種鋪排方式設(shè)計了兩種仿生復(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)氧樹脂復(fù)合材料為材料[15],研究鋪層角度對結(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

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-加強筋結(jié)構(gòu)是保證結(jié)構(gòu)強度和減輕結(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,對小柱-加強筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化,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)強韌性分析

2.1 韌性的評價

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程中,長期經(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)對于航天器的發(fā)展具有重要意義。

斷裂韌性的評價指標(biāo)主要有KIC、J積分、能量吸收U等[16-17],根據(jù)文獻(xiàn),可通過對夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行三點彎曲力學(xué)性能分析,并計算曲線下的積分面積來表征結(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對復(fù)合材料試件的三點彎曲過程進(jìn)行數(shù)值模擬。參照GBT/1449《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》[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;每個單層板使用殼單元SC8R來模擬,在層與層之間設(shè)置插入3D無厚度粘接層,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;邊界條件為兩端簡在上壓頭施加向下位移載荷,層合板有限元計算模型見圖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,其材料屬性如圖見表1,Cohesive單元的屬性見表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,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。

圖4 層合板三點彎曲位移-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)果見表3。

表3 兩種層合板力學(xué)性能對比

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-面綁定接觸,壓頭和支撐座為剛性體,單元類型為R3D4,支撐座為支點簡支,在上壓頭施加向下位移載荷,有限元計算模型見圖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)斷裂韌性的計算公式對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)行對比分析。首先對3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行三點彎曲力學(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,本文所設(shè)計的仿生輕質(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),對比分析所設(shè)計的兩種仿生輕質(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的壓縮強度與蜂窩結(jié)構(gòu)的抗壓能力接近,這說明本文所設(shè)計的輕質(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) 本文通過對白星花金龜鞘翅的形態(tài)學(xué)觀測,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價方法,對斷裂韌性分析的結(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?？梢?本文所設(shè)計的輕質(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)高強韌夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計和仿真分析工作,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)的試驗部分,為工程實踐應(yīng)用的輕質(zhì)高強高韌結(jié)構(gòu)設(shè)計提供新的方法和理念。