具有层状纤维缠绕的仿甲虫鞘翅轻质结构的设计及其力学性能分析周怡郭策朱春生戴振东南京航空航天大学，南京,210016摘要：在对辖翅斯面微结构观测的基础上，分析了鞘翅的微观结构特征。设计了具有层状碳纤维缠绕的仿生轻质结构，并利用有限元法对其进行了力学性能分析。同时制备出了仿鞘翅结构复合材料模型，并进行了准好态压缩实验。将实验结果与有限元分析结果进行比较，证明了有限元分析结果的有效性。在此基础上，进一步比较了两种不同纤维缠绕方式的仿生轻质结构的力学性能，证明了两层交错纤维缠绕的仿生结构设计是合理的。关键词：鞘翅；微观结构；结构仿生；冇限元分析；复合材料中图分类号:TB17文章编号：1004—132X(2011)16—1969—05StudyonDesignandMechanicsPropertiesofBeetle'Elytra—inspiredLightweightStructureswithFilamentWindingZhouYiGuoCeZhuChunshengDaiZhendongNanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics>Nanjing9210016Abstract:Basedonthemicrostructureofthecrosssectionofabeetle'selytra>onecompoundma・terialofbio—inspiredlightweightstructureswasdesigned.ThreekindsofmechanicspropertiesofthelightweightstructureswerestudiedwithFEM.Atthesametime,quasi—staticcompressionexperi-mentsonthestructuremodelswerecarriedout.TheexperimentalresultsandtheFEAresultswerecomparedandanalyzed,whichprovedtheeffectivenessoftheFEA.Themechanicspropertiesoftwokindsoffinament—woundstructurewerecompared,theresultsprovingthebionicstructureoftwolayerstaggeredfiberdesignarereasonable.Keywords：elytra；microstructure；bio—inspiredstructure；finiteelementanalysis(FEA)；compoundmaterial0引言甲虫是自然界中非常庞大的一个种群，它们收稿日期：20100927基金项目：国家自然科学基金资助项目(30770285)；江苏省口然科学基金资助項冃(BK2009376)；航空科学基金(2OO7ZA52OO8)信号调制分类[J]•信息工程大学学报.2009,10(4)：466-470.[6]MmarquesJP.模式识别一原理、方法及应用[M].吴逸飞•译.北京：清华大学岀版社.2002.[7]李晓宇，张新峰•沈兰荊.支持向用:机(SVM)的研究进展[J]•测控技术,2006,25(5):7-12・[8]张钦礼.基于支持向常机和模糊系统的机器学习方法及其应用研究[D]・无锡：江南大学，2009.[9]张学工•关于统计学习理论与支持向蜀机[J]•自动化学报,2000,26(1):32-42.[10]张贤达.时间序列分析[M].北京：清华大学出版社.1996.[11]BrillingerI)R,RosenblattM.ComputationandIn-力划餐ofKth~orderSpectra,In:Harris»eds.的前翅在进化过程中慢慢地蜕变为具冇高强度及高断裂韧性结构的鞘翅2〕。由于甲虫鞘翅质轻、强度质量比奇，口张合髙效•从而成为几何设计和材料优化良好的仿生对象。陈锦祥等研究了独角仙鞘翅的断面结构和表面微结构，指出鞘翅SpectralAnalysisoffimeSeries]M].NewYork：Wiley,1967.[12]杨叔子，吴雅，轩建平，等•时间序列分析的工程应用[M].武汉：华中理工大学出版社3994.[13]GiannakisGB.OntheIdentifiabilityofNon—GaussionARMAModelsUsingCumulants[JIEEETrans.AC,1990.35(1)：18・26.(编辑王艳丽)作者简介：扎敌中•男.1986年生.华侨大学机电及自动化学院硕士研究生。主要研究方向为智能机器学习、机械振动分析.费左!fr,男，1945年生.华侨大学机电及自动化学院教授、博匕研究生导师•是一种以小柱为中空层的夹心层状三合板结构。陈斌等丫根据绿色金龟子鞘翅组织的增强纤维的铺层机理制备出仿定双螺旋铺层复合材料和仿生预成形空洞复合材料。虞庆庆等⑻、杨志贤等®⑷研究了东方龙虱鞘翅的断面结构，指出惭翅由背壁层、腹壁层和中空夹芯层构成，背壁层、腹壁层之间由桥墩状纤维组织空心柱体结构连接，以提高其力学性能。本文以东方龙虱的鞘翅为主要研究对象，通过对鞘翅断面微结构做扫描电镜观测，分析了鞘翅的微观结构特征。设计了具有层状纤维缠绕的仿甲虫鞘翅结构，并利用ANSYSWorkbench10.0对其进行有限元分析，得到了该结构的三种力学特性曲线，并与无纤维缠绕的结构进行了比较。同时...