原亞南 張作啟

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,武漢 430072)

復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)通過(guò)預(yù)浸料按照不同鋪層角度鋪設(shè)后熱壓成型,具有比強(qiáng)度高、比模量高、輕質(zhì)以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、船舶、軍事裝備、民用領(lǐng)域等方面應(yīng)用廣泛[1]。高校中工科專業(yè)如力學(xué)、材料等已經(jīng)在本科生和研究生課程中開設(shè)了復(fù)合材料力學(xué)課程,旨在使學(xué)生對(duì)復(fù)合材料體系有更多了解,培養(yǎng)學(xué)生復(fù)合材料的設(shè)計(jì)理念。其中,將仿生復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路應(yīng)用到復(fù)合材料設(shè)計(jì)中是筆者重點(diǎn)關(guān)注的方向,也是筆者想在課堂上向?qū)W生傳達(dá)的新穎的設(shè)計(jì)理念。

1 龍蝦鉗生物螺旋微結(jié)構(gòu)

研究人員在美國(guó)龍蝦的蝦鉗表皮結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了周期性螺旋結(jié)構(gòu)[2-4],而周期性螺旋結(jié)構(gòu)正是耗能和抗沖擊的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),如圖1 所示,這種生物基納米復(fù)合材料最顯著的特征是它具有嚴(yán)格不同尺度等級(jí)的螺旋結(jié)構(gòu)。在分子水平是高聚物分子鏈,通過(guò)反對(duì)稱排列形成α鏈晶體,很多α鏈晶體形成長(zhǎng)鏈排列結(jié)構(gòu),尺度在3 nm 左右,并進(jìn)一步形成100～200 nm尺度的α幾丁質(zhì)纖維蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),而大量纖維排列形成的螺旋結(jié)構(gòu),尺度在10μm 左右,最后形成宏觀的表皮結(jié)構(gòu),這些α幾丁質(zhì)纖維板材堆疊起來(lái),每層根據(jù)下一層的角度再旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度,最終完成180?旋轉(zhuǎn)。通過(guò)掃描電子顯微鏡的仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)了每個(gè)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(xì)描述了這種結(jié)構(gòu)[5-8],揭示了嵌套的弧形外觀是某種光學(xué)錯(cuò)覺(jué),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(jié)構(gòu)稱為Bouligand 結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)各種甲殼類動(dòng)物物種的實(shí)驗(yàn)和模擬,在一系列長(zhǎng)度尺度上檢驗(yàn)了這種層次設(shè)計(jì)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系。在連續(xù)層之間有一個(gè)小的旋轉(zhuǎn)角時(shí),螺旋狀復(fù)合材料在宏觀尺度上對(duì)平面內(nèi)載荷表現(xiàn)出各向同性響應(yīng)[9-12]。此外,旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)在拉伸加載時(shí)可以提高生物復(fù)合材料的韌性,并使片層重新定向以適應(yīng)加載條件,從而抵抗變形[13-14]。

圖1 龍蝦表皮螺旋微結(jié)構(gòu)[2]

因此,在生物力學(xué)與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課堂上,向同學(xué)們展示龍蝦表皮中的螺旋微結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性能是主要教學(xué)目標(biāo)；鼓勵(lì)學(xué)生在課堂上通過(guò)碳纖維預(yù)浸料對(duì)龍蝦表皮的螺旋微結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)現(xiàn),然后固化成型后進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)表征。此舉不僅讓學(xué)生知道什么是螺旋結(jié)構(gòu),還促使學(xué)生思考什么是仿生設(shè)計(jì)：即從大自然中獲取靈感,并應(yīng)用于實(shí)際工程應(yīng)用中,來(lái)獲取更優(yōu)異的力學(xué)性能。這便是這堂課的內(nèi)核所在。

2 傳統(tǒng)預(yù)浸料裁剪方式的弊端

在復(fù)合材料力學(xué)課程中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)課堂中,為了培養(yǎng)學(xué)生們對(duì)復(fù)合材料層合板自主設(shè)計(jì)能力,給學(xué)生提供相同的材料體系、相同的外載狀況,要求同學(xué)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(guò)力學(xué)表征,角逐出力學(xué)性能最好的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。但是在鋪附不同纖維角度的預(yù)浸料時(shí),同學(xué)們往往面臨鋪層角度不準(zhǔn)確的情況。原有的改變鋪層角度的方案是通過(guò)在原有單向纖維鋪層預(yù)浸料中標(biāo)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(yīng)用廣泛,通過(guò)激光定位裁剪,可以保證較為精確的角度精度。但在復(fù)合材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂設(shè)計(jì)中,這種方法最大的弊端在于,學(xué)生們很難保證裁剪出來(lái)的角度與實(shí)際設(shè)計(jì)的角度一致。因此,基于此考慮,筆者自主設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)合材料鋪設(shè)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái),為復(fù)合材料變角度鋪設(shè)提供了精度保證,也給同學(xué)們提供了更加自動(dòng)、便捷以及可靠的鋪設(shè)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(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的自制教具––旋轉(zhuǎn)平臺(tái)在根本上擯棄了裁剪的概念,而是采用了旋轉(zhuǎn)的理念。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示(已申請(qǐng)專利,實(shí)審中)。工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)原理說(shuō)明：手柄固定在蝸桿上,操作者旋轉(zhuǎn)手柄可帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)；蝸桿和渦輪嚙合,蝸桿旋轉(zhuǎn)可帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)；渦輪通過(guò)傳動(dòng)鍵和鎖緊螺母固定在軸上,渦輪旋轉(zhuǎn)可帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)；軸通過(guò)螺栓與連接板、工作面板固定在一起,軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)工作面板旋轉(zhuǎn),用于精確控制預(yù)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(zhuǎn)平臺(tái)裝置,成本低廉,操作簡(jiǎn)單,而且預(yù)浸料鋪設(shè)位置和鋪設(shè)角度可控,精度較高。彌補(bǔ)了目前碳纖維預(yù)浸料鋪設(shè)方法和設(shè)備在兩個(gè)極端之間的空缺,也為學(xué)生們?cè)趶?fù)合材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂設(shè)計(jì)中提供了優(yōu)良的操作條件。

4 自制教具：仿生螺旋結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)操作步驟

筆者采用了連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂的單向預(yù)浸料,其鋪設(shè)方法包括：首先根據(jù)所鋪設(shè)的預(yù)浸料尺寸調(diào)整卡板組件的位置,便于鋪設(shè)時(shí)鋪設(shè)邊界的定位。按照卡板組件指示邊界鋪設(shè)第一張預(yù)浸料。根據(jù)鋪設(shè)需求旋轉(zhuǎn)手柄使工作面板轉(zhuǎn)過(guò)指定角度。用手旋轉(zhuǎn)手柄,手柄帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn),蝸桿與蝸輪嚙合帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn),蝸輪與軸通過(guò)鍵傳動(dòng)帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn),軸與連接板工作面板通過(guò)螺栓固定,一同旋轉(zhuǎn)。在工作面板上面有刻度,通過(guò)指針可較精確地控制工作面板轉(zhuǎn)過(guò)的角度。按照卡板組件指示邊界鋪設(shè)第二張預(yù)浸料,直至達(dá)到所需鋪設(shè)層數(shù)。進(jìn)一步,通過(guò)指針對(duì)工作面板轉(zhuǎn)過(guò)的角度進(jìn)行標(biāo)記,通過(guò)卡板組件對(duì)碳纖維預(yù)浸料的鋪設(shè)位置進(jìn)行標(biāo)記,鋪設(shè)預(yù)浸料時(shí),方便操作人員觀察以確定預(yù)浸料鋪設(shè)角度和位置,提高鋪設(shè)的角度和位置精度,課堂上使用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)鋪設(shè)不同角度預(yù)浸料的過(guò)程如圖4 所示。此外,對(duì)本教具來(lái)說(shuō),可進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)的參數(shù)主要有兩個(gè),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(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)操作流程

5 總結(jié)

結(jié)合仿生學(xué)概念,旨在使學(xué)生對(duì)復(fù)合材料體系有更多了解,培養(yǎng)學(xué)生復(fù)合材料的設(shè)計(jì)理念。本文提出了一種預(yù)浸料自動(dòng)鋪設(shè)仿龍蝦鉗表皮螺旋微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)；該教具為學(xué)生們新穎的仿生螺旋設(shè)計(jì)思路提供便捷高效制備的途徑,同時(shí)克服了傳統(tǒng)課堂上裁剪方式導(dǎo)致鋪層角度不準(zhǔn)確的弊端。此外,該仿生實(shí)驗(yàn)課堂設(shè)計(jì)更是向?qū)W生傳達(dá)了一種新穎的復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念,即將經(jīng)過(guò)自然選擇優(yōu)勝后的微結(jié)構(gòu)應(yīng)用到人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中,用來(lái)突破現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的性能瓶頸。此外,這種設(shè)計(jì)靈感是大自然賦予我們的,一定是有效和豐富的。