夹芯结构复合材料的仿生设计

摘要整理

在能源效率和资源稀缺的背景下，轻量化结构设计日益重要。复合材料，特别是夹芯结构，已成为该领域的关键研究方向，在多个工业领域得到广泛应用。夹芯结构具有优异的强度-质量比和刚度-质量比，能够在不降低强度的前提下实现构件和结构的减重。在广泛应用的芯材设计中，受蜂巢启发的蜂窝结构因其轻质和高抗性能在航空航天工业中被广泛采用。蜂窝结构的六边形单元提供了密集排列，增强了刚度同时降低了质量。然而，自然界提供了众多经过长期进化的结构，对轻量化构造具有巨大潜力。本文遵循仿生学原理，重点研究了受生物模型启发的轻质夹芯复合材料的开发、建模、仿真和测试。首先研究和提取天然韧性设计模板以创建成型芯材结构；其次采用数值分析评估这些结构的力学性能；最后采用3D打印技术制造最具前景的设计方案并进行三点弯曲测试。面板采用碳纤维增强尼龙长丝打印，芯材采用聚乳酸（PLA+）。同时对蜂窝芯复合材料进行了仿真和测试作为对比参考。评估了刚度、承载能力和柔性等关键性能指标，以确定新型芯材几何结构的应用潜力。多个设计方案相比蜂窝设计表现出改进的特性，所开发结构的刚度提高了38%，最大承载能力增强了18%。

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