基于竹子微观结构的柱状结构仿生设计

第25卷第12期2008年12月

机　械　设　计

JOURNAL OF MACH I N E DESI G N Vol . 25　No . 12

Dec . 　　2008

基于竹子微观结构的柱状结构仿生设计

马建峰, 陈五一, 赵岭, 赵大海

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3

(1. 北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 北京　100083; 2. 沈阳飞机设计研究所, 辽宁沈阳　110035)

摘要:随着机械产品低能耗、高速度等方面的要求, 结构件的轻量化设计在实际工程应用中的需求日益增加, 而这种需求在飞行器设计中尤为明显。竹子的结构是自然界中存在的比较典型的轻量化结构, 在分析竹子优良的力学性能和其微观结构关系的基础上, 提取决定竹子优良力学性能的特征结构, 将竹子微观结构上的优势应用到实际的柱状结构设计中, 并应用有限元手段对优化前后的结构作了分析计算, 结果证明仿生结构在力学性能上比原型结构更合理。

关键词:竹子; 结构仿生; 轻量化; 微观结构中图分类号:TH122　　文献标识码:A 　　文章编号:1001-2354(2008) 12-0050-04　　在当前的机械设计过程中, 由于某些部件的高速性及其带

来结构可靠性和能耗问题, 使轻量化设计越来越重要, 而这种需求在飞行器设计中尤为明显。生物体结构要承受自身的质量及生长环境的载荷, 漫长的进化过程使其结构具有优良的力学性能。从宏观的角度来讲, 生物体的结构由于其外载荷的变化而各不相同, 从细观和微观的角度来考虑, 可以得到更加本质的东西, 通过研究这些细微结构的变化, 可以更好地理解生物体结构在外载荷下具有的优势, 从而将生物结构的优势应用到实际的机械部件设计中。

结构仿生设计在国内外取得了一定的研究成果在使结构的强度降低, 而马的第3即使发生骨断裂, An dre w Rapoff [1, 2]。德国的Claus M attheck 在研究树的外形和内部结构的基础上, 得到了一种形状优化的仿生算法(Soft Kill Op ti on, SK O ) , 并应用于实际的结构设计中[3, 4]。Johannes W eiss 在SK O 的基础上, 结合对骨骼的研究, 对SK O 算法进行了改进, 并将成果应用到汽车设计中[5, 6]。同时, 国内一些学者通过研究生物结构也得出了一些仿生设计的思路[7]。

1　竹子的力学性能优势

竹子是自然界存在的一种典型的、具有良好力学性能的生物体。它强度高、弹性好、性能稳定, 而且密度小(只有

3[8]

0. 6～1. 2g/cm) , 虽然钢材的抗拉强度为竹材的2. 5～3. 0倍, 但钢材的密度却为竹材的10, 因此, 按比强度计算, ～[9], , 竹子的细长比可达11结构决定力学性能, , 2　竹子的微观结构

2. 1　竹子横截面的微观结构

竹壁的独特组织是竹材优良力学性能的物质基础。从竹壁内可以分辨出多种不同形态结构的细胞, 但是从力学角度来考虑, 这些细胞可以分为两大类:第一类是基本组织细胞, 他们在显微镜下呈圆形薄壁结构, 起着传递载荷的作用; 第二类是以维管束为主体的厚壁细胞, 这类细胞被基本组织细胞包围着, 起着承载的作用, 如图1所示。而散布在基本组织细胞之

[2]　机械设计手册编委会. 机械设计手册[M].第2卷. 北京:机械

index f or measuring whether the force trans m itting perf or mance of the mechanis m is good or not .

I n the operati onal course of the

mechanis m the trans m issi on angle is varying in its magnitude . How t o let the m ini m u m trans m issi on angle t o acquiring a maxi m u m value within the design, in accordance with the op ti m al designing p rinci 2p le this paper established mathe matical relati onshi p a mong para me 2ters, worked out the p r ogra m and may conveniently find out this an 2gle by the aid of computer, thus made the being designed crank sli 2der mechanis m possessing an op ti m al trans m issi on perfor mance .

Key words:crank slider mechanis m; trans m issi on perfor m 2ance; op ti m izati on design; trans m issi on angle

Fig 4Tab 1Ref 4

工业出版社. 2004

[3]　彭安华, 王其兵. 按最小传动角的最大值设计曲柄滑块机构

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D esi gn of offset crank sli der m echan ism accord i n g to opti ma l tran sm issi on angle

N I AN S i 2ti a n

(Depart m ent of Electr o 2M echanical Engineering, J iangsu I nsti 2tute of I nfor mati on Vocati onal Technol ogy, W uxi 214063, China )

Abstract:The magnitude of trans m issi on angle is an i m portant

3收稿日期:2007-10-19; 修订日期:2008-04-24

“J ixie Sheji ”8175

基金项目:航空基金资助项目(05B01004) ; 国家自然科学基金资助项日(50575008) 作者简介:马建峰(1979-) , 男, 山西朔州人, 博士研究生, 研究方向:结构仿生设计、飞机结构件仿生优化设计等

。

2008年12月马建峰, 等:

基于竹子微观结构的柱状结构仿生设计

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间的各个维管束单位本身也有多种不同类型的细胞。每一维管束内有大量连续纵向的管状细胞, 他们的细胞壁更显著地加厚和硬化。除此之外, 厚壁纤维则是维管束内另一种管形细胞, 但是它们的细胞壁大大加厚, 这对于竹秆的强度等力学性能有重大的贡献, 这种细胞在外皮层内密度最高, 它们充塞在维管束内的指定位置

。

关系[11];

(3) 竹材的纤维体积含量与位置参数ρ之间呈指数关系[12, 13];

(4) 竹材各试件的抗弯截面模量W 与试样的纤维体积含量呈线性关系[14]

。

图3　竹段试件研究示意图

图1　竹截面微观结构组成

2. 2　竹节的微观结构

沿轴向非均匀分布的竹节是竹子的一个重要特征, 竹节在根部要比顶部致密的多, 竹节的微观结构与节间是不同的, 图2是竹节纵切面的纤维走向示意图, 可见纤维经过竹节时, 纤维的走向发生了变化

。

从以上这些实验结果中不难发现, 竹子从竹青到竹黄的结

构是呈梯度分布的, 这一结构的特征和及其对应的力学性能可以直接指导柱状结构的仿生设计。

3. 2　竹节对竹子力学性能的影响

对竹材而言, 竹节的抗劈强度与横向抗拉强度比其他部分高, 但是竹节处的抗拉、。由于竹, , , , , 。, 3倍[15], 因此, 竹节。

4　仿生柱状结构

图2　竹节的纤维走向

3　竹子的力学性能和微观结构的关系

3. 1　竹子横截面力学性能分析

竹秆中维管束的形状、大小及密度的变化在同一竹壁横切面上表现出明显的规律性:由外而内, 维管束的体积由小到大,

到近竹黄(竹子的最内壁) 面时又略变小。而密度由密到疏, 近竹黄面时又略变密。由表皮和皮下层构成硬度很强的竹秆表层系统(竹青) 与由多层石细胞构成的髓环(竹黄) 形成了竹秆的内外夹壁, 把维管束和基本组织紧密地夹在中间, 对竹材的性质起到了很好的稳定作用。

竹纤维的细胞壁与众不同, 它具有多层不均匀加厚的次生壁, 形成宽窄交替的多层结构。这种层状结构对竹材的抗弯强度有重要意义。另外, 竹秆中维管束密度和纤维密度由内至外逐渐增加的结构也是其对风力等环境载荷的最好适应。

为了更好地研究竹子微观结构与宏观力学性能之间的关系, 相关学者进行了一些量化研究, 试件的选择方法如图3所示。在两个竹节之间取一个竹段, 竹段沿纵向切成横断面为扇形的竹块, 依竹壁的厚薄, 沿径向将竹壁分成5～7层, 逐层取样, 试件厚约1mm, 所得的实验结构归纳如下:

(1) 竹材的弹性模量E 与试样的纤维体积含量的关系是线性的;

(2) 竹材的弹性模量E 与位置参数ρ(ρ=r/t ) 之间呈指数

[10]

从上述对竹子微观结构和力学性能的分析结果出发, 进行了柱状结构的仿生设计。图4为从竹材的截面结构到最后的仿生柱状截面结构的演化过程。

图4a 是竹截面的微观结构图, 在图4b 中用小圆柱模拟维管束, 圆柱之间的小筋板来模拟基本组织的力学性能, 这样就变成了一个基本单元布局优化的问题, 结合上述的力学性能与微观结构关系的分析, 便可优化得出最佳布局。但由于实际加工及计算的复杂性等因素的制约, 必须在力学性能不变的前提下, 简化其结构。图4c 就是一种简化结构, 用不同厚度的环状结构来模拟同一直径面内的维管束集合, 用圆环之间的小圆柱和小筋板来模拟基本组织的力学性能, 这样优化问题就成了环状结构厚度和径向分布问题了

。

(a ) (b ) (c )

图4　竹截面和仿生柱状结构截面演化过程

5　仿生柱状结构优化结果

基于上述的仿生柱状结构截面, 在结构质量大致相同的情

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机　械　设　计第25卷第12期

况下, 分别比较了普通柱状结构(中空的管状结构) 、仿生I 型

柱状结构(截面为图4c 的柱状结构) 和仿生II 型柱状结构(在仿生I 型结构的基础上, 柱状结构中间有一小段实心部分) 的力学性能, 所有的结构采用钢质材料, 其属性为:弹性模量E =

3

207GPa, 屈服极限泊松比μ=0. 288, 密度ρ=7800kg/m。由于竹子的主要载荷是风载荷, 因此分析时一端施加全约束, 然后外表面施加一个面载荷, 载荷大小为0. 2MPa, 方向沿径向, 静态分析结果见表1。

表1　原型结构和仿生结构的静力学结果对比

原型

质量/kg47. 06

最大应力16. 371最大应变/mm0. 0624

仿生型I

46. 3514. 0880. 0510

仿生型Ⅱ(带节)

47. 2413. 3840. 048

5

结构是相当合理的。同时, 要想理解生物体结构的优势所在, 就必须从微观的角度挖掘决定其优良力学性能的本质。而文中正是基于这个出发点对竹子截面和竹节的微观结构进行了分析研究, 提出了两种仿生型的柱状结构,

将这两种结构和普通的柱状结构(在结构质量大致相同的情况下) , 在静力和动力方面做了对比。在最大应力上, 仿生I 型比原型减小13. 95%, 最大应变上减小18. 27%; 仿生Ⅱ型比仿生I 型减小5. 98%, 最大应变上减小4. 99%。也就是说, 无论是比强度还是比刚度, 仿生型结构都有很大的提高。同时在动力学性能方面, 仿生型结构的模态也有了一定的改善。同时文中的成果亦可应用于航空部件如飞机机身框体设计, 火箭、导弹仓体等设计中, 以达到结构件轻量化的效果。

　　从表1可以看出, 在结构质量相同的前提下, 仿生型结构无论从强度还是刚度方面都有明显的提高, 因此, 仿生型结构的比强度优于原型结构的比强度。具体来说, 仿生型结构I 的比强度比原型结构高13. 95%, 比刚度提高18. 27%, 而仿生型结构Ⅱ的比强度比仿生型结构I 提高5. 98%, 比刚度提高了4. 99%, 静力学分析结果如图5所示。

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图6示出3种结构的前10阶模态的分析比较, 从结果中

不难看出, 仿生结构的低阶(前3阶) 模态频率略有下降, 而高阶模态频率明显增加。

6　结论

生物体由于长时间的进化过程, 其结构是在周围环境和生长应力下生成的, 由于结构的生长具有自适应性, 所以其承力

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新型节能密封结构参数的优化设计

薄相峰, 刘波

(西北工业大学动力与能源学院, 陕西西安　710072)

摘要:工业生产及实验研究中的许多设备都需要设置密封装置, 而目前的密封多采用传统的接触式密封。文中针对接触式密封存在的缺点, 提出了采用螺旋密封代替传统的接触式密封的观点, 并对最佳螺旋参数做了较为深入的探讨, 用优化的方法推导出一套最佳的螺旋密封几何形状和尺寸, 对实现螺旋密封在实际生产中的应用有一定的指导意义。

关键词:螺旋密封; 螺旋参数; 优化设计中图分类号:TJ430. 6+6　　文献标识码:A 　　文章编号:1001-2354(2008) 12-0053-03　　日常的实验研究、生产中与流体接触并发生相对运动的设备部件处一般都需要设置密封。目前多采用填料密封和机械密封, 而这些密封都有其严重的缺陷。填料密封填料磨损严重, 失效快, 需经常更换填料, 费时费力, 影响生产。此外, 轴的磨损也较为严重

[1]

施加一个推进力, 进行能量交换, 使轴的旋转动能换成粘性流体的压力能, 从而形成密封压头, 即螺旋密封的泵送效应[4, 5]。该压头与被密封流体压力相平衡, 便能阻止流体泄漏。这种流体动压反输型螺旋密封是依靠被密封流体的粘性力产生压头来封住介质的, 因此又叫做粘滞密封, 如图1所示

。

。机械密封结构较为复杂, 对制造加工及工

人的安装技术水平要求较高; 安装与更换比较麻烦, 发生偶然事故时, 处理较麻烦; 一次性投资高; 维修费用高。有的设备仅密封装置所消耗的功率已占轴功率的1/3。若采用端面密封, 成本较高, 且一旦流体中的纤维或固体颗粒进入摩擦面, 会造成快速磨损[2]。螺旋密封属于非接触密封, 它的功率消耗小, 且维护更加简单, 是一种新型的节能密封方式[3]1　1. 1　螺旋密封的工作原理

螺旋密封的工作原理是在螺旋轴与静止壳体之间留有狭小间隙, 其中充满粘性流体。当轴旋转时, 螺旋槽对粘性流体

[12]　关钖鸿, 冼定国, 叶颖薇. 竹材———一种天然的复合材料[J ].

图1　螺旋密封工作原理

energy consu mp ti on and high s peed operati on of mechanical p r od 2ucts, the de mand of weight 2lightening design of structural compo 2nents in p ractical engineering app licati on was increasing day by day; moreover this kind of de mand is es pecially evident in the de 2sign of aircraft . The structure of ba mboo is a comparatively typ ical weight lightened structure existing in the nature . On the basis of an 2alyzing the relati onshi p bet w een the excellent mechanics perfor m 2ance of ba mboo and its m icr ostructure, this paper p icked up the characteristic structure that deciding the excellent mechanic per 2f or mance of ba mboo and let the superi ority of the m icr ostructure of bamboo be app lied t o the actual colu mnar structural design . And by app lying the finite ele ment measures t o make the analytical calcula 2ti ons on the structures bef ore and after op ti m izati on, the result showed that the bi onic structure is more reas onable on the mechanic perfor mance than the original typed structure .

Key words:ba mboo; structural bi onics; weight lightening; m icr ostructure

Fig 6Tab 1Ref 15

复合材料学报, 1987, 4(4) :79-83.

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B i on i c desi gn of colu mnar structure ba sed on m i crostruc 2ture of bam boo

M A J i a n 2feng , CHEN W u 2y i , ZHAO L i n g , ZHAO Da 2ha i

(1. School of Mechanical Engineering and Aut omati on, Bei 2jing University of Aer onautics and A str onautics, Beijing 100083, China; 2. Shenyang Research I nstitute of A ir p lane Design, Sheny 2ang 110035, China )

Abstract:A l ong with the require ments on the as pects of l ow

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“J ixie Sheji ”7618

3收稿日期:2007-11-27; 修订日期:2008-04-28

作者简介:薄相峰(1979-) , 女, 山西定襄人, 博士研究生, 研究方向:

新型高性能流体机械设计理论及应用研究。