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蜻蜓翅膀功能特性力学机制的仿生研究

李秀娟  
【摘要】:蜻蜓是自然界最优秀的飞行者之一,其通过翅膀的形态、构形、结构、材料等多个因素的相互耦合协同作用,展现出优异的飞行、自清洁、抗疲劳、消振降噪等功能特性。蜻蜓翅膀的各种功能特性不是独立存在的,而是相辅相成。在蜻蜓翅膀的这些功能特性中,飞行特性是其主要功能特性之一,自清洁、抗疲劳、消振降噪等功能特性对于辅助飞行特性至关重要,对蜻蜓卓越的飞行特性起到了不可缺少的辅助作用。翅膀是蜻蜓的飞行器官,能够承受拍动、滑翔、盘旋等各种飞行姿态中产生的种种不同负载,具有良好的力学特性,从而使蜻蜓在飞行中展现出优越的飞行性能。本论文系统地分析蜻蜓翅膀的生物学特性,并从生物耦合的角度分析了蜻蜓翅膀的整体构形、表面形态、结构和材料等耦元在飞行、自清洁、抗疲劳、消振降噪等功能特性中的耦合作用;通过拉伸试验和定性疲劳试验初步研究了蜻蜓翅膀的力学特性;全面分析影响蜻蜓翅膀力学特性的各种因素,重点从网格形态和翅脉截面构形两方面分别建立仿生模型,并对各模型进行有限元分析和试验测试,揭示蜻蜓翅膀力学特性与各因素间的内在关系与规律,旨在为今后进行的蜻蜓翅膀多元耦合仿生设计以及不同层面的仿生应用提供必要的理论与试验基础。论文完成的具体工作和取得的主要结论与成果,如下: (1)通过对文中蜻蜓翅膀的几何参数、构形、表面形态、结构和材料进行研究发现,黄蜻Pantala flavescens Fabricius前后翅总质量约是其整体总质量的4.88%,前后翅翼展基本相同,后翅面积大于前翅,但展弦比小于前翅。蜻蜓翅膀前缘和后缘为流线形,翼展方向呈尖锥形,形成一种坚固的三维类桁架构形;翅膀表面由纵脉和横脉交织分布,形成了由三角形、四边形、五边形、六边形等不同形状构成的网格形态;翅膀整体断面具有褶皱结构,同时,翅脉具有多层材料复合的中空结构,翅膜具有三层材料复合结构,翅痣呈扁长的曲边多边形结构,翅节分为固定和可活动联接,可活动翅节展现出了柔性联接特性;翅脉主要由几丁质、蛋白质和纤维三相材料复合而成,翅膜主要由几丁质和蛋白质两相材料复合而成。 (2)蜻蜓翅膀通过整体构形、表面形态、结构和材料等耦元协同、耦合作用,展现出超强的飞行特性,同时,还展现出减振维稳、止裂抗疲劳、消声降噪、轻量化等功能特性。各耦元不是单独为某一种功能特性作贡献,其在不同的功能特性中贡献度不同。 (3)拉伸试验结果表明,蜻蜓翅膀的各主翅脉是承力的主要单元,起着梁的作用,承受着比各支翅脉更大的力,且主脉的管径构形与大小是影响承力的关键因素。 (4)定性疲劳试验结果表明,当蜻蜓翅膀出现疲劳裂纹,裂纹蔓延到翅膜时,翅膜对裂纹扩展几乎没有抵抗力;当裂纹蔓延到翅脉时,翅脉通过三层复合结构与多相材料协同、耦合作用,对裂纹萌生和扩展具有一定的阻滞作用。 (5)分析了蜻蜓翅膀的网格形态特征以及各节点之间错位关系,建立了蜻蜓翅膀网格形态模型,通过数值模拟和试验测试揭示网格形态和节点位置对模型变形能力和应力分布的影响规律。 a)在双向均匀拉伸作用下,各边纵横交错的四边形网格模型Ⅲ抗拉能力最好,六边形网格模型和节点错位大的四边形网格模型Ⅰ最容易变形;模型内节点的错位越大,模型的变形能力越强。 b)在单端均布压力载荷作用下,各边纵横交错的四边形网格模型Ⅲ抗变形能力最好,六边形网格模型和节点错位大的四边形网格模型Ⅰ最容易变形;网格内部的节点错位越大,力的传递分流越多,应力分布越均匀。 (6)蜻蜓翅膀的主要纵脉,从翅基到翅尖不同位置的截面构形都不相同。蜻蜓翅膀的前缘脉和后缘脉作为边界骨架,其截面呈三角形,其余主要纵脉截面大致都呈厚度不等、半径不等的葫芦形。基于蜻蜓翅膀主要纵脉的截面构形建立了各个截面的仿生模型。为了研究蜻蜓翅脉截面特殊构形的机制,根据蜻蜓翅脉截面构形上下半径不相等、厚度不均匀的特点,建立了蜻蜓翅脉等半径截面模型和等厚度截面模型;为了研究各种不同截面构形对其力学性能的影响,建立了与各个截面构形仿生模型相对应的截面等面积模型。 (7)通过对蜻蜓翅脉9个不同位置27个模型在双边拉伸作用下各模型应力与变形的有限元分析,揭示截面构形对截面构形仿生模型、等半径截面模型和等厚度截面模型抗拉能力的影响规律,即在相同载荷下,截面构形仿生模型比等半径截面模型和等厚度截面模型更容易变形;在相同条件下,截面上下部分厚度比截面上下部分半径对截面变形能力的影响大。 (8)通过对各截面等面积模型在双边拉伸作用下的力学有限元分析和样件试验,揭示等面积条件下截面构形对截面受力的影响规律,即截面的上下部分半径和厚度越均匀,截面受力后的变形越小,应力分布越均匀;截面上下部分的连接越平缓,截面受力后的变形越小,应力分布越均匀。 (9)在蜻蜓翅脉截面构形仿生模型、等半径截面模型和等厚度截面模型的基础上建立了翅脉不同位置的仿生直杆模型、等半径直杆模型和等厚度直杆模型。通过数值模拟和样件试验研究揭示截面构形对仿生直杆、等半径直杆和等厚度直杆的变形能力影响规律,即截面上下半径不等和上下厚度不等都会使杆件的形变量增大,变形能力增强,其中,截面厚度对杆件形变量的影响大于截面半径。 (10)通过对9个不同位置仿生直杆的力学有限元分析,揭示顺翼展方向和垂直于翼展方向仿生直杆抗变形能力的规律,即对于每根翅脉上不同位置的仿生直杆,靠近翅基位置处的直杆抗变形能力更好,远离翅基处的直杆柔性更好;对于垂直于翼展方向的截面,径脉R1上各位置对应的仿生直杆较其余脉对应位置的仿生直杆抗变形能力更强。 (11)在蜻蜓翅脉截面等面积模型的基础上建立了翅脉不同位置的等面积直杆模型。通过数值模拟和样件试验测试揭示等面积条件下截面构形对直杆变形能力的影响规律,即截面构形中的上下部分半径和厚度越均匀,直杆的抗变形能力越好。 (12)基于工程实际常见的各种杆件,设计并制备出等面积圆管和圆柱。通过数值模拟和样件试验测试揭示等面积条件下截面构形对圆管、圆柱和仿生直杆的作用规律,即在等面积等载荷情况下,空心圆管形变量最小,实心圆柱形变量最大,仿生直杆形变量介于二者之间;与空心圆管和实心圆柱相比,类葫芦形截面构形的仿生直杆更适合于蜻蜓翅脉。


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