輕質多功能仿生結構的機理與製備研究

《輕質多功能仿生結構的機理與製備研究》是依託南京航空航天大學，由郭策擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：輕質多功能仿生結構的機理與製備研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：郭策
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

輕質多功能仿生結構是仿甲蟲鞘翅和其它生物結構的一種構形仿生結構，具有輕質、高強/剛重比，兼具熱防護等優良性能，是航空航天飛行器、軌道交通、汽車船舶等高新技術產業領域發展最具美好前景的材質結構。.申請人及其課題組在前期研究甲蟲鞘翅微結構和材料拓撲分布規律時，發現甲蟲鞘翅是一種具橋墩狀連線的空腔複合層狀結構，其密度僅為0.89g/cm3，但比強度幾乎和鋁合金相當。為此，項目提出以甲蟲鞘翅微結構的幾何拓撲為輕質結構構形設計的生物模板，研究基於碳纖維複合材料的輕質多功能仿生結構的構形仿生、多功能協同設計、多目標最佳化的測評理論和技術及其製備方法和工藝規範，為工程套用提供理論和技術支撐，並以航空航天飛行器、汽車、軌道交通等對輕質多功能結構材料的需求，從仿生啟示-理性設計-製備技術-性能測評等4個方面開展工作，最終獲得新型輕質結構材料。

結題摘要

近年來隨著高新技術產業的飛速發展，對材料的輕質高強、耐損失等提出了更高要求，傳統材料已無法滿足這一需求，越來越多的科研工作者將目光轉向了大自然，希望從中汲取設計靈感。課題通過對甲蟲鞘翅微結構的觀測及其力學性能測試，開展了甲蟲輕質、高強、耐損傷鞘翅結構的幾何構形、力學性能及拓撲規律的研究，獲得了多功能輕質結構設計的原創理念；設計出多種具有工藝可行性的仿生輕質結構；採用模壓成型法和共固化方法基於碳纖維複合材料製備了輕質結構試樣，探索了結構製備的工藝規範，並對仿生結構進行了力學性能測試和有限元分析；通過將新型仿生輕質結構與工程上常用的蜂窩結構進行壓縮力學性能對比，表明了所設計的仿生結構具有更高的比強度；利用熱學測試和有限元分析，對仿生輕質夾芯結構進行了熱學性能研究和改進設計，使改進後的夾芯結構在300C高溫下仍具有較好的力學性能；進一步地，課題還開展了仿甲蟲鞘翅輕質結構在飛機大開口區的多功能協同最佳化設計，以及在航天飛行器翼舵類結構件上的拓撲最佳化設計，並對仿生輕質結構單元進行了參數最佳化設計和傳熱性能最佳化，從而獲得結構材料的最大比強度和比剛度，以及優異的傳熱性能。課題研究結果表明，所設計的新型仿生結構具有高的比強度和比剛度，且具有熱防護性能，是一種理想的輕質多功能結構材料。