仿生多层级柔性轻质结构的设计

仿生多层级柔性轻质结构的设计

叶振辉

 橙子传媒（杭州）有限公司 浙江省杭州市 310057

摘要：抗冲击结构材料是近年来的研究热点。一般来说，撞击按速度可分为三类:撞击速度大于200m/s定义为高速撞击；冲击速度小于20m/s定义为低速冲击；两者之间的撞击速度定义为中速撞击。由于子弹和爆炸碎片等中高速撞击会对人的生命财产安全造成极大威胁，一直受到军队和科研人员的高度关注。相对于中高速撞击，低速撞击造成的伤害更低，还没有得到足够的重视。低速冲击在我们的日常生活中司空见惯，而且是高度随机和频繁的。虽然低速冲击造成的损害比高速冲击小，但对许多工程结构来说，它们可能是危险的。例如，船只可能在途中与漂浮物体或桥墩碰撞，这种低速冲击载荷可能导致结构表面轻微断裂，从而降低结构强度和承载能力，并造成安全风险。军用产品包在运输过程中不可避免地会受到冲击和振动，跌落是最常见的损坏因素。此外，运输过程中精密仪器结构的倾倒、城市燃气电池对车辆的影响等。，可能会对结构造成不同的损坏并影响其正常运行。

关键词：仿生多层级；柔性轻质；结构设计

引言

随着装配式建筑的不断发展和国家的大力支持，预制装配式建筑成为当下的热门话题，装配式建筑的发展带动了ALC(蒸压轻质混凝土，AutoclavedLightweightConcrete的简称)板材的发展，ALC板材是装配式建筑中用到的主要板材，是一种新型节能环保的建筑产品，性能优越，可提升施工效率和质量。因此，ALC板材的使用量也在不断的提升。由于ALC隔墙板的尺寸、体积、质量等因素，在安装时受空间影响，不宜一次安装到位，为了解决现有技术问题，通过一种ALC墙板安装装置使其安装操作变的简单，安装效率大大提升。

１仿生结构形态分析

如图1所示，视中国鲟鱼后角的结构形态而定，鳞片(蓝虚线)可分为三种类型:c I、c ii和c iii。实验观察显示，中国鲟鱼背上的鳞片数量一般为12 ~ 14个。其中，角c I和角c iii分别位于鱼体的头部和尾部，嘴是角c ii，位于角c I和角c iii之间。可见c-ⅱ角是中国鲟鱼背角结构的主要部分。研究结果表明，中国鲟鱼背角具有区域层状结构，结构轻而有力，高度矿化，弹性模量分别为11.609 0.802 GPA和抗拉强度分别为138.84 4.21 MPa，抗穿孔强度和吸收性能强本文选择角度c ii作为研究目标。

图１中华鲟背部骨鳞结构形态特征

2有限元模型建立

针对得到的优化结果,运用MidasCivil有限元软件分别建立原截面尺寸的小箱梁模型和优化后的小箱梁模型。该梁形状为单板，小梁长度40m，梁高度2m，梁顶部板宽度2.4m，底部板宽度1m。用于创建模型的单位是梁单位，模型生成44个节点，45个梁单位，最长梁单位1m，并达到了静态分析所需的计算精度。边界条件是由预应力和活动荷载组成的短构件支撑。采用预应力钢丝、钢缆模型Strand1860、低松弛钢丝系数和材料加工方法计算预应力。符合道路建设一般准则(jtgd 60—2015),荷载组合使用基本组合形式,按照以下荷载组合形式分析:1.2恒载+1.4车道荷载+1.05温度荷载。

3无砟轨道路基帮宽的泡沫轻质土工程应用

采用泡沫轻质土浇筑，减少了对既有高铁路基的沉降影响，确保了某高铁的安全运营。雄安－忻州高铁接入大西客专忻州西站，车站路基已铺设无砟轨道，需对既有铁路路基进行帮宽，为避免对既有无砟轨道的工后沉降造成影响，采用浇筑泡沫轻质土的方式进行既有路基帮填。通过泡沫轻质土路基的成功应用，显著减小了路基帮填对既有大西客专线路的影响。鲁南高铁临曲段接入某高铁曲阜东站，为了避免帮宽引起附加沉降影响某高铁的安全运营，采用了泡沫轻质土帮填浇筑，成功解决了新建铁路接入某高铁无砟轨道车场的难题，完善了铁路泡沫轻质土路基的应用。

4仿生多层级防护结构制备

具有软多级特性的结构由鳞片和软质组成。伪骨架结构采用由黑色尼龙组成的三维打印方法(500connex对象)模拟骨架结构。尼龙材料具有独特的特性，例如b .轻质、韧性和冲击强度、抗拉强度等。导出鳟鱼的结构尺寸与生物原型尺寸(16.63毫米x 17.42毫米x 12.62毫米)一致。尼龙材料制成的分子结构坚固变形，利用区域内瓦数结构的变形特性。与生物结构造型类似，它确保了随后的实验分析结果的准确性。为了进一步分析钢的模拟角结构与模拟壳体的机械性能之间的差异，两种结构均采用每次设计试验的样品数= 3进行了压缩。尼龙材料的模拟外壳结构进一步增强了该结构的韧性。仿真结构更像壳结构，不会生成完全分离。这意味着尼龙材料制造的模拟结构更准确地模拟了生物外壳变形的能量过程。仿生皮肤的柔性基层结构由液态有机硅(PDMS)和凯夫拉纤维组成，制备前必须以相应的形状制造。成型材料可用变形温度为175 c的白色尼龙制成。由于模拟壳的结构与柔性基层相集成，因此凸结构的构造必须采用形式1-设计过程，以便在准备柔性基层后将模拟壳嵌入到表面的孔中，最终形成形状。这两个造型的大小相同:长度、宽度和高度182 mm、119 mm和45 mm、壁厚t = 8 mm、离合器高度h = 3 mm。具体的筹备过程如下所述。首先，将液态硅橡胶(251.8g)装入搅拌机，缓慢搅拌牛奶装置25分钟，并完全溶解针剂。搅拌时搅拌鱼产生气泡，搅拌30分钟后必须用真空泵取出。然后将51.3g混合液按1型泵出膀胱30分钟。抽取后，表格1放入热鼓式干燥机，机箱内部温度为100° C，冷凝时间为35 m N，凝固硅胶上有一层碳纤维。然后将混合液倒入26.42克，此步骤执行5次，直至完成5根纤维的设计。第三步是抽取样品，将尼龙螺栓的模拟外壳结构插入软底面的孔中。

5耐久性能

泡沫轻质土作为路基填筑轻型材料，其主要受到荷载和环境的长期作用，对其耐久性产生影响。泡沫轻质土耐久性主要包括耐疲劳特性、耐干湿循环特性、耐冻融循环特性及耐腐蚀性能。根据泡沫轻质土室内大比例动态模型试验，当动力荷载作用为200万次时，泡沫轻质土路基整体结构总累积沉降均小于1．0mm，与高速铁路普通无砟轨道路基结构经过加载200万次后产生的累积沉降基本一致，而泡沫轻质土层产生的累积沉降均较小。表明泡沫轻质土路基整体结构具有良好的长期动力稳定性。在干湿循环作用下泡沫轻质土的密度越低越容易遭受破坏。泡沫轻质土自身强度低，在遭受水分侵蚀时容易软化，并且在干燥过程中在内部产生裂纹，裂缝的产生使得水分进一步向基体内部渗透，从而导致泡沫轻质土的性能劣化。

结束语

高表面层、可变吸收地平面和抗冲击端口的纤维以及分散应力和裂纹的纤维相结合，通过动态冲击强度提高了结构的结构强度，为新型软弹簧结构的设计和制备提供了参考。

参考文献

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