基于生物力學螺旋結構教具研制和實驗課堂設計1)

原亞南 張作啟

(武漢大學土木建筑工程學院,武漢 430072)

復合材料層合板結構通過預浸料按照不同鋪層角度鋪設后熱壓成型,具有比強度高、比模量高、輕質以及可設計性強等優(yōu)點,在航空航天、船舶、軍事裝備、民用領域等方面應用廣泛[1]。高校中工科專業(yè)如力學、材料等已經(jīng)在本科生和研究生課程中開設了復合材料力學課程,旨在使學生對復合材料體系有更多了解,培養(yǎng)學生復合材料的設計理念。其中,將仿生復合材料微結構設計思路應用到復合材料設計中是筆者重點關注的方向,也是筆者想在課堂上向學生傳達的新穎的設計理念。

1 龍蝦鉗生物螺旋微結構

研究人員在美國龍蝦的蝦鉗表皮結構中發(fā)現(xiàn)了周期性螺旋結構[2-4],而周期性螺旋結構正是耗能和抗沖擊的關鍵結構,如圖1 所示,這種生物基納米復合材料最顯著的特征是它具有嚴格不同尺度等級的螺旋結構。在分子水平是高聚物分子鏈,通過反對稱排列形成α鏈晶體,很多α鏈晶體形成長鏈排列結構,尺度在3 nm 左右,并進一步形成100～200 nm尺度的α幾丁質纖維蛋白質結構,而大量纖維排列形成的螺旋結構,尺度在10μm 左右,最后形成宏觀的表皮結構,這些α幾丁質纖維板材堆疊起來,每層根據(jù)下一層的角度再旋轉一個小角度,最終完成180?旋轉。通過掃描電子顯微鏡的仔細觀察發(fā)現(xiàn)了每個層合區(qū)域呈現(xiàn)出特征性的嵌套弧模式。前人已經(jīng)詳細描述了這種結構[5-8],揭示了嵌套的弧形外觀是某種光學錯覺,是由排列的光纖層的螺旋形堆疊造成的,因此通常把這種典型的螺旋堆疊結構稱為Bouligand 結構。通過對各種甲殼類動物物種的實驗和模擬,在一系列長度尺度上檢驗了這種層次設計產(chǎn)生的結構與功能關系。在連續(xù)層之間有一個小的旋轉角時,螺旋狀復合材料在宏觀尺度上對平面內(nèi)載荷表現(xiàn)出各向同性響應[9-12]。此外,旋轉的結構在拉伸加載時可以提高生物復合材料的韌性,并使片層重新定向以適應加載條件,從而抵抗變形[13-14]。

圖1 龍蝦表皮螺旋微結構[2]

因此,在生物力學與復合材料結構設計課堂上,向同學們展示龍蝦表皮中的螺旋微結構的獨特性能是主要教學目標；鼓勵學生在課堂上通過碳纖維預浸料對龍蝦表皮的螺旋微結構進行復現(xiàn),然后固化成型后進行力學實驗表征。此舉不僅讓學生知道什么是螺旋結構,還促使學生思考什么是仿生設計：即從大自然中獲取靈感,并應用于實際工程應用中,來獲取更優(yōu)異的力學性能。這便是這堂課的內(nèi)核所在。

2 傳統(tǒng)預浸料裁剪方式的弊端

在復合材料力學課程中的實驗設計課堂中,為了培養(yǎng)學生們對復合材料層合板自主設計能力,給學生提供相同的材料體系、相同的外載狀況,要求同學們優(yōu)化鋪層策略：包括鋪層順序、鋪層角度、鋪層厚度等參數(shù),通過力學表征,角逐出力學性能最好的復合材料結構設計方案。但是在鋪附不同纖維角度的預浸料時,同學們往往面臨鋪層角度不準確的情況。原有的改變鋪層角度的方案是通過在原有單向纖維鋪層預浸料中標記出所需角度的待裁剪區(qū)域,如圖2(a)(c) 所示,按照紅色虛線走向裁剪成指定形狀,如圖2(b)(d) 所示。這種傳統(tǒng)的非0?非90?的裁剪方式在工業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛,通過激光定位裁剪,可以保證較為精確的角度精度。但在復合材料力學實驗課堂設計中,這種方法最大的弊端在于,學生們很難保證裁剪出來的角度與實際設計的角度一致。因此,基于此考慮,筆者自主設計了一個復合材料鋪設自動旋轉平臺,為復合材料變角度鋪設提供了精度保證,也給同學們提供了更加自動、便捷以及可靠的鋪設條件。

圖2 不同鋪層角度傳統(tǒng)裁剪方式

3 自制教具：仿生螺旋結構旋轉平臺設計

筆者設計的自制教具––旋轉平臺在根本上擯棄了裁剪的概念,而是采用了旋轉的理念。旋轉平臺的結構示意圖如圖3 所示(已申請專利,實審中)。工作臺旋轉原理說明：手柄固定在蝸桿上,操作者旋轉手柄可帶動蝸桿旋轉；蝸桿和渦輪嚙合,蝸桿旋轉可帶動渦輪旋轉；渦輪通過傳動鍵和鎖緊螺母固定在軸上,渦輪旋轉可帶動軸旋轉；軸通過螺栓與連接板、工作面板固定在一起,軸旋轉帶動工作面板旋轉,用于精確控制預浸料鋪層角度的刻度區(qū)如圖3 所示。

圖3 自制教具

自制教具–– 旋轉平臺裝置,成本低廉,操作簡單,而且預浸料鋪設位置和鋪設角度可控,精度較高。彌補了目前碳纖維預浸料鋪設方法和設備在兩個極端之間的空缺,也為學生們在復合材料力學實驗課堂設計中提供了優(yōu)良的操作條件。

4 自制教具：仿生螺旋結構旋轉平臺操作步驟

筆者采用了連續(xù)纖維增強樹脂的單向預浸料,其鋪設方法包括：首先根據(jù)所鋪設的預浸料尺寸調整卡板組件的位置,便于鋪設時鋪設邊界的定位。按照卡板組件指示邊界鋪設第一張預浸料。根據(jù)鋪設需求旋轉手柄使工作面板轉過指定角度。用手旋轉手柄,手柄帶動蝸桿旋轉,蝸桿與蝸輪嚙合帶動渦輪旋轉,蝸輪與軸通過鍵傳動帶動軸旋轉,軸與連接板工作面板通過螺栓固定,一同旋轉。在工作面板上面有刻度,通過指針可較精確地控制工作面板轉過的角度。按照卡板組件指示邊界鋪設第二張預浸料,直至達到所需鋪設層數(shù)。進一步,通過指針對工作面板轉過的角度進行標記,通過卡板組件對碳纖維預浸料的鋪設位置進行標記,鋪設預浸料時,方便操作人員觀察以確定預浸料鋪設角度和位置,提高鋪設的角度和位置精度,課堂上使用旋轉平臺鋪設不同角度預浸料的過程如圖4 所示。此外,對本教具來說,可進行個性化設計的參數(shù)主要有兩個,一是每一層的鋪層角度,二是鋪層厚度。

圖4 仿龍蝦鉗的螺旋結構旋轉平臺操作流程

5 總結

結合仿生學概念,旨在使學生對復合材料體系有更多了解,培養(yǎng)學生復合材料的設計理念。本文提出了一種預浸料自動鋪設仿龍蝦鉗表皮螺旋微結構設計平臺；該教具為學生們新穎的仿生螺旋設計思路提供便捷高效制備的途徑,同時克服了傳統(tǒng)課堂上裁剪方式導致鋪層角度不準確的弊端。此外,該仿生實驗課堂設計更是向學生傳達了一種新穎的復合材料微結構設計理念,即將經(jīng)過自然選擇優(yōu)勝后的微結構應用到人工設計的結構中,用來突破現(xiàn)有結構的性能瓶頸。此外,這種設計靈感是大自然賦予我們的,一定是有效和豐富的。