仿竹柱状壳体结构

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高速度,低能耗,轻质化设计,结构设计,新型材料,基本目标之一：提高结构的承载效能（单位质量的承重量）,空心薄壁圆柱,优点：等截面积下抗弯强度比圆柱高，承载效能大,不足：长径比较大时容易失稳弯曲，抗弯能力下降,带有加强筋的结构,抗弯能力加强，但自身重量增加，亦降低了承载效能,优化,工程中的结构设计,学法于自然,大自然就是一个创新发明的大型实验室,长期恶劣的环境考验使生物进化出了自适应性的结构，其承载结构相当合理,巴西巨型马尾草,荷兰木贼,蜂窝状空心杆结构,抗弯强度高,强度高,弹性好,性能稳定,密度小,等质量下的抗拉强度是钢材的,34,倍,其顺纹抗压强度为每平方厘米,800,公斤左右,中国银行大厦,高,315,米,70,层,屹立在香港季节性台风区域,竹壁的独特组织是竹材优良性能的物质基础,竹子的微观结构,薄壁细胞,维管束,薄壁细胞,呈圆形薄壁状，用来传递载荷,维管束,厚壁细胞，被基本组织细胞包围，起承载作用,竹壁独特的组织主要体现在横截面上维管束规律性的变化,从外壁（竹青）到内壁（竹黄）,维管束体积由,小到大,，靠近最内壁时,又略微变小,。,密度,由密到疏,，靠近竹黄,又略微密集,呈,梯度分布,薄壁细胞,维管束,含有大量竹纤维，竹纤维的细胞壁具有多层不均匀加厚的次生壁，形成了宽窄交替的,多层结构,，抗弯能力强。,样品制备,英斯特朗,实验台,实验结果,竹子的性能测试,实验：利用三点侧弯测试观察竹子不同位置的弹性模量,竹块沿着径向被分为五小块，每块厚度大概为,1.2,毫米。,整个样品长,160,毫米，宽,15,毫米。,定义,=,r/t,t,为竹片厚度，,r,为样本层到外壁的距离,实验观测：随着位置参数的增加，弹性模量呈,下降趋势,结构的仿生设计,过程：分析生物结构和工程结构上的相似之处，建立三维模 型，并检验设计是否达到优化效果。,仿生设计流程图,仿竹柱状壳体,局部放大图,抽象,优化,竹子,仿生结构,1,放生结构,2,传统结构,仿生结构,两种圆柱结构钢的材料参数,结构性能对比,密度,(gcm3),极限抗压强度,（,GPa,）,弹性模量,（,GPa,）,泊松比,7.8,2.5,210,0.3,传统结构和仿生结构的有限元分析,传统结构,仿生结构,传统结构,仿生结构,提高的百分比,承载效能（,kNkg1,）,8.237e+4,1.852e+5,124.8%,两种结构的承载效能,局部发生弯曲,整体发生弯曲,设计合理，优化成功！,竹子类似于一个由强韧纤维加强的，中间空心以减少重量的长圆柱体。竹子纵剖面,结构呈梯度分布,，结构组成及力学性能从外圆到中心连续不断在变化竹子内部厚壁组织的,纤维密度,是其承载能力很好的指标。,三点弯曲测试表明，竹秆外表面区域的,弹性模量,比内部区域的要高，这反映出竹子,力学性能的梯度分布,特点。,柱状壳体的非线性分析表明，仿生结构在,承载效能,上具有明显的优势，是传统结构的两倍多。此外，传统结构发生局部弯曲，而仿生结构发生整体弯曲，在,失效模式,上，仿生结构亦表现更好。,总结,谢谢光赏,20090576,付天甲,