蛋壳夹芯结构的变形机制及力学性能

　　　摘　　　要:从结构仿生的观点出发,提出了“孔壳夹芯结构”模型,通过模拟样件试验,归纳出了“孔壳夹芯结构”的压缩变形机制,得出“蛋壳夹芯结构”的承载能力主要取决于“蛋壳”的材料、结构尺寸和排列角度等因素的结论.应用薄壳理论,算出了“蛋壳”单元在承受均布压力情况下的屈曲临界压力,同时,对“蛋壳”单元建立有限元模型,进行了静力学和屈曲模态分析,为进一步的“蛋壳夹芯结构”的工程轻量化设计提供了理论依据.

　　许多天然生物结构材料,如木材及骨骼等,都是多孔结构材料,且可长期承受很大的动态和静态载荷,生物体的优异性能是功能、结构和材料在环境约束条件下长期进化、优化的结果,充分体现了自然进化的趋势,用尽量少的材料实现最大的功能[1].模仿天然多孔材料的结构特征,人们制造出了多孔固体及夹层复合材料.由于多孔固体及夹层结构具有高比强度、比刚度及整体轻量化的特性,因此,使得此类结构广泛应用于航空、航天、建筑及机械等工程领域.

　　受生物结构启发或模仿生物特性结构而设计的材料成为结构仿生材料.从这个意义上,人工多孔固体和蜂窝夹芯材料都属于结构仿生材料.人工多孔固体,在工程制备时,孔隙率能够控制,但孔大小尺寸的均匀性及排列的一致性很难控制.蜂窝夹芯结构主要是应用在提高结构件的比抗弯能力场合[2-3].另外,工程中大量使用承受压力载荷的支柱类器件.当同时要求承载能力大且质量较轻时,就需设计出比抗压强度、刚度大的新型结构.

　　天然材料孔壳的几何形状和特性具有耐人寻味和启迪创造性思维的作用.鸟蛋壳是自然界中用最少材料造就坚固结构的范例之一,是结构仿生的优异原型.壳体,特别是封闭孔壳,主要靠曲面内的内力承载,所以节省材料.为了能更好地利用特定仿生结构的特性,本文首先提出了宏观结构仿生“孔壳夹芯结构”的概念,结构由孔壳、填料、外面板组成.当孔壳外形为鸟蛋形状时,定义为蛋壳夹芯结构.此结构中,“蛋壳”单元在很大程度上将影响和决定整体结构的力学性能.因此,有必要对“蛋壳”结构与刚度、受力与变形及稳定性关系进行深入的研究.

　　1　孔壳夹芯结构的基本力学性能

　　1.1　孔壳夹芯结构试件的模拟实验

　　自然界的多孔材料,如支撑树木的木材或赋予动物以轻质、刚硬构架的网状骨质,其主要功能在力学方面.孔壳夹芯结构中,孔壳形状、尺寸、排列方式及位置角度,不仅影响孔壳夹芯结构的力学性能,而且直接决定结构的轻量化效果.实际上,孔壳可以有多种排列方式,定义结构中所有孔壳占据的体积与结构总体积的比率为占空率.分析知,其值愈大,结构轻量化效果愈好,当孔壳交叉叠层排列时,如图1所示,占空率最大.