甲虫鞘翅轻质结构，或许是打开新型航天材料的钥匙！

• 2023-08-10 23:24:28 来源：桦语侃史

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前言：

航空航天、深空探测等领域对航天器部件结构设计与材料优化，一直是众多科学家致力研究的方向。那么做出对高强度、高刚度、轻质节省的结构方向到底是什么？

(相关资料图)

正在科学家一筹莫展的时候，仿生学的作用就在此刻提呈现了出来！

经过几百万年乃至上亿年的长期竞争与自然选择，自然界中的生物形成了自己独特的特性与优势。它具有复杂的微观结构以适应环境和功能要求，在强韧化、功能自适应、损伤自修复等方面具有传统材料无法比拟的优势。

随着高科技产业的快速发展，对高强度、高刚度、轻质节省的结构提出了更高的要求。然而，传统的结构与材料已经无法满足这种需求，所以科学家们把目光投向了具有这种特性的生物，希望从其结构中获得设计灵感。

而且，科学家们已经对生物体的结构进行了一定程度的借鉴，制造出了多种工程材料和工程结构。例如，蜂窝结构复合材料借鉴了蜂窝的结构特点，具有质量轻、强度高、刚度高、隔热隔音性能好等优点。

美国 NASA一直致力于研究仿生材料和仿生结构，并将其应用于宇航结构的仿生设计。弗罗里达州立大学安德鲁·拉普夫教授对马蹄掌中存在的孔洞结构作了细致的研究，并把他的研究结果应用于飞机上典型的敞开式结构的设计等。

甲虫是自然界中很大的一个种群，它们在进化的过程中，前翅逐渐蜕变成具有高强度和极具韧性的鞘翅，这样做有几个目的：

1.用来抵抗外部压力的冲击，用来保护甲虫的身体，甲虫在遇到危险时，是很脆弱的，如果身体有一个坚硬的外壳保护着，那么它就不容易受伤。

2.用来隔热，防止体内水分蒸发，甲虫如果没有鞘翅的保护，必定会被晒干死亡。

那么通过第一点，是否可以通过研究，仿造出结构类似的材料，用于航天航空领域上呢？

近几年来，人们对甲虫鞘翅的微观结构及力学性能进行了一些研究。杨志贤等人在对东方龙虱甲壳剖面结构的研究中发现，甲壳由背侧壁、腹侧壁和中空夹心三层组成，其中背侧壁与腹侧壁之间通过类似桥墩的中空圆柱结构连接，以提高其力学性能。

鞘翅具有高强度、高韧性、各向异性的自修复特性，是航空航天、深空探测等领域对航天器部件结构设计与材料优化的理想仿生材料。

陈锦祥等人在分析并讨论了独角仙鞘翅的内部微观结构后，提出了一种鞘翅为具有以小柱为中空层的夹芯状三合板结构，而小柱与内层薄膜形成了一种类似于蜂窝多面体的网络结构，从而增强了鞘翅的强度和断裂韧性。

他们主要研究的对象是东方龙虱鞘层，通过对其剖面显微结构的观察，对其显微结构进行了分析。根据鞘翅轻质结构的特点，以此为基础，设计出了3种仿鞘翅轻质结构模型，并使用AnsysWorkbench100对这3种结构的压缩力学性能展开有限元数值分析。

并对三种不同类型的结构进行了比较。在此基础上，制作结构模型，开展准静态压缩试验。同时，利用3D打印技术制作出仿生壳体结构模型，通过准静态压缩试验，并与有限元计算结果对比，验证有限元计算结果的可靠性。

一、鞘翅的力学性能优势

鞘翅作为一种典型的轻质生物材料，具有密度小，弹性好，性能稳定等优点。测得的鞘翅占空比（空腔面积除以鞘翅面积）为22%左右；翅片的密度在0.80g/cm至0.89g/cm之间；硬度范围在0.15 GPa至0.50 GPa之间；其弹性模量范围在4.5-9.0 GPa之间。

同时鞘翅的强度高，新鲜的东方龙虱鞘翅的横向的拉伸强度为169.2MPa ± 25MPa纵向的拉伸强度为194.5MPa ± 23.4MPa，按比强度计算鞘翅的比强度比钢材的比强度高出3～4倍。结构决定了力学性能，因此很有必要对鞘翅的微结构进行分析，了解鞘翅微结构的特点，并进行仿生结构的设计。

二、鞘翅微观结构

东方龙虱的鞘翅横截面的微观结构显示在翅背壁的最外层，是一层大约12微米厚的黑色蜡质层紧挨着蜡质层，在这一层之下，同向地覆盖着十多层大约2微米厚的几丁质纤维层。

组成鞘翅的背壁和腹壁结构，鞘翅内沿截面排列着直径80um~95um圆形或椭圆形的空腔，空腔之间间隔250um左右，这种结构可以有效地减轻整个鞘翅的重量。

同时，在两个空腔之间也有一些垂直于上、下表面的小圆柱形孔洞，孔洞直径在30-40微米之间。

东方龙虱鞘翅纵剖面与横剖面结构相似，其纵剖面由背壁、腹壁、内腔和内腔间的小柱状孔洞组成，表明鞘翅各向同性。

三、仿鞘翅轻质结构

在此基础上，通过横截面微观结构观察与分析，提出了一种仿鞘翅轻量化结构设计方法。由于生物体本身的复杂性，要完全照搬生物模型是很困难的，也是没有必要的，必须做一些合理的简化。

通过对鞘翅微结构的观察和分析，发现鞘翅内的圆形或椭圆形的空腔以及空腔之间的小柱孔是鞘翅最主要的减重结构，因此笔者主要以此来展开仿鞘翅轻质结构设计。本项目拟以单向鞘结构为研究对象，通过模拟单一方向鞘翅结构，设计出一种新型仿生结构Ⅰ，主要由圆形通孔和直立于鞘表面的小圆柱孔构成，考虑到建模和制造的方便，将通孔和小圆柱孔的尺寸统一起来。

考虑到纵、横截面微结构的相似性，假设鞘层内部由多个球形空腔组成，每两个空腔之间有一个垂直于上、下表面的小圆柱孔，构建仿生结构 Ⅱ。

本项目在前期研究中，通过对独角金龟壳体内部微观结构的解剖，发现其壳体上下层间存在蜂窝状网络，网状网络交叉点处有增强柱，据此提出一种“蜂巢-柱”轻型结构。，该结构被设计为仿生结构Ⅲ，其主要包括在蜂窝网络结构和蜂窝壁连接处的加固小支柱。

四、用有限元方法分析准静态压缩性能

1.三维有限元型

用 SolidWorks软件建立了一个仿生结构的三维模型，为了比较这三种结构的力学性能，在建模过程中，它们的主要结构尺寸如表1所示。由于 ANSYSW0rkbench10.0与许多 CAD软件实现了无缝连接，因此，通过该接口，可以很容易地将模型数据导入到ANSYSW0rkbench10.0中。

表一

2.材料属性

在 ANSYS工作台的模拟模块中，选择 ABS塑料作为模型材料（与分果试验所用材料相同），并设定材料属性为：弹性模量为1.2×10 MPa、0.3的泊松比、1.04克/厘米的密度和22 MPa的屈服极限。

3.加载及约束条件

模拟蜂窝结构静压试验条件，以模型底面为固定约束条件，采用逐级递增加载方式，并选取适当的加载步长。

4.计算结果分析

为了对3种模型的抗压能力进行分析比较，提取每个子步下的底面的约束反力和位移值，即可得到每个结构模型的载荷力随位移变化的曲线。

载荷在一开始就呈现出显著的线性变化，即为线性弹性阶段；在临界失稳之后，荷载力随位移变化很小，进入弹塑性、塑性崩塌阶段。将载荷位移曲线的线性部分进行直线拟合，得出其斜率 K，也就是相应结构模型的刚度，再根据已知结构模型的相对密度，就可以计算出各结构的比刚度值。

从表中可以看出，结构的亚刚度和比刚度值是最大的，而结构Ⅱ的刚度和比刚度值是最小的。这表明第二种结构具有最佳的抗变形性能。

在确定压缩强度的方法中，为了使结果具有可比性，将位移为2 mm时对应载荷下计算得到的应力作为结构模型的压缩强度，得到的各结构模型的压缩强度，再由已知结构模型的相对密度，就可以计算出各结构模型的比强度值。

从表2中可以看出，结构Ⅱ的压缩强度和比强度值最大而结构I的压缩强度和比强度值最小。这说明结构Ⅱ具有最好的抵抗压缩载荷而不失效的能力。

五、从实验上验证仿生结构模型

1.模型的制造

通过采用3D打印技术，以工程塑料 ABS （丙烯腈-丁二烯- Z烯烃共聚物）为研究对象，在有限元分析中已经给出了各项性能参数，主要结构尺寸如表1所示。

通过准静态加载试验，获得了加载力-位移曲线，并将计算结果与有限元法进行了比较。三维立体打印（rapidprototyping）是利用计算机辅助设计（CAD）数据，在一定条件下对材料进行累积，形成实体模型的一种快速成型技术。

2.准静态压缩试验

采用微机控制的电子万能试验机。样品被单向压缩，其速率为 V=1毫米/分钟，在压缩期间加载量和压缩变形的位移量由传感器记录。

3.实验结果与有限元分析结果的对比

结果表明，三种结构的有限元法计算结果与试验结果基本一致，表明所建立的有限元模型及分析方法是可靠的。

结束语

在此基础上，本项目拟以龙虱鞘翅为研究对象，设计3种仿生轻型结构，采用有限元分析方法，获得3种仿生轻型结构的受压—-位移曲线、刚度和抗压强度。

通过比较三个模型的比刚度、比强度，可以看出，Ⅱ型结构比另外两个模型要好得多，其中 Ⅱ型结构更接近于东方龙虱鞘翅的结构，说明该生物的承载结构非常合理，性能优势明显，该仿生结构对航空航天新的轻型功能结构的设计有重要的借鉴意义。

在此基础上，开展拟静态压缩试验，验证有限元方法的正确性和有效性，为该领域的深入研究打下基础。

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