CN101950316A - 一种仿生蜘蛛网复合材料结构的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种仿生蜘蛛网复合材料结构的设计方法，有七大步骤，(1)用有限元分析软件对原结构件的受力进行静力分析，得到结构件的受力变形云图；(2)从结构件的变形云图中找到最大变形区的位置；(3)选择布置圆环形、圆弧形规则纬线和规则经线；其最大半径等于或大于最大变形集中区的半径；(4)规则经线的布置沿着圆环形、圆弧形规则纬线的中心向此周扩散；其密度依据最大变形集中区与最大变形区变形的数量级而定；(5)在最大变形集中区外，沿着这些区域变形的梯度方向布置不规则经线；(6)最后在结构件受力变形较小的部分去除部分材料形成空心的结构，以减轻整个结构件的质量；(7)按照以上步骤对原结构件进行反复改进设计，直到满足要求。

Description

一种仿生蜘蛛网复合材料结构的设计方法

(一)技术领域

本发明涉及一种仿生蜘蛛网复合材料结构的设计方法，具体涉及航天、航空等军工领域的部件、机床部件结构的轻量化设计，是一种结构的设计方法。属于航天航空及各种机械结构轻量化设计技术领域。

(二)背景技术

航天航空技术的发展对各种飞行器的设计提出了更高的要求，在提高飞行器的速度的同时保证其可靠性成为研究的重点，这使得飞行器的轻量化设计越来越重要。

机械加工技术要求机床具有高加速度、高精度。这就要求机床运动部件小质量、高刚度，即运动结构部件的比刚度要高。这也对机床的轻量化设计提出了要求。

目前，这些部件轻量化设计主要有两种方法：一是通过使用“比刚度、比强度”比较高的材料或纤维增强材料。另一种方法是在一定的材料的前提下，分析结构的载荷情况，优化结构的材料分布，提高其强度和刚度，从而获得高“比强度”、“比刚度”的结构。在现有结构设计理论基础上，要进一步降低结构件重量，提高结构件的承力性能，必须寻找新的结构设计方法和思路。

自然界的生物经过了漫长的进化过程，逐渐形成了各种各样的力学性能优异、构造独特的生物结构。这些结构为人类解决工程技术问题提供了启发性的素材。蜘蛛网的结构就是大自然塑造的神奇结构其中之一。蜘蛛网能够承受很大的力，主要是由蜘蛛网的结构与蜘蛛丝的特殊材料决定的。现阶段大多数研究人员将蜘蛛丝的组成成分作为研究的主要内容，而对于蜘蛛网的结构研究却较少。蜘蛛网是由两种不同成分的丝组成，向四周辐射的丝干燥不粘，而环绕中心的一圈圈的丝如同强力胶水，粘性极强。本发明就是基于蜘蛛网的结构与蜘蛛丝成分的互异性而得到。通过研究蜘蛛网的结构与材料互异性优势，提出了仿生蜘蛛网复合材料结构的设计方法，将其应用到实际的结构件的设计当中，实现航空航天结构件的轻量化设计。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的在于提供一种仿生蜘蛛网复合材料结构的设计方法，以实现结构件的轻量化设计，提高结构的比强度。该结构设计方法可以使原有结构在比刚度提高的情况下减小结构的质量，实现结构的轻量化、高刚度设计。

2、技术方案：

见图1、图2，蜘蛛网结构有两种形式，即圆环形蜘蛛网结构和圆弧形蜘蛛网结构，因此，仿生蜘蛛网复合材料结构也有相应的两种结构形式，即圆环形蜘蛛网复合材料仿生结构和圆弧形蜘蛛网复合材料仿生结构。它们分别由心环1，圆环形规则纬线2，规则经线3，不规则经线4，空心5，圆弧形规则纬线6组成；见图3、图4。

本发明一种仿生蜘蛛网复合材料结构的设计方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：在结构设计之前，首先对原结构件的受力进行静力分析，得到结构件的受力变形云图。这借助于常用的有限元分析软件如Ansys、Abaqus、MSC.Marc等，很容易实现，从变形云图中可以观察到结构变形的梯度变化。见图5。

步骤二：从结构件的变形云图中找到最大变形区的位置。一般来说最大变形区是一小块面积。将心环结构布置到最大变形处，心环的中心选择在最大变形处面积的中心位置即可，心环结构的半径取决于最大变形区的大小，一般心环将最大变形区覆盖即可。心环结构采用大弹性模量(相比原结构普通材料的弹性模量)的材料。

步骤三：一般最大变形区周围梯度曲线会比较密集，变形量大小的变化会比较缓慢，变形量也明显比结构件的其它部分大，可称为最大变形集中区。此处选择布置圆环形、圆弧形规则纬线和规则经线。圆环形、圆弧形规则纬线的间隔一般在离最大变形区越近越小，离变形区越远越大。每层规则纬线的宽度可根据变形梯度场的疏密灵活选择。圆环形规则纬线的最大半径一般选择相等或大于最大变形集中区的半径。

由于圆弧形规则纬线的是由数段小圆弧组成，其构件过程比圆环形规则纬线略微复杂。首先需要在最大变形集中区作一个圆，此最大圆半径Ra1要比最大变形集中区的半径大，如图6所示。然后在此最大圆上做一个小圆R1，其半径的选择原则是保证此圆沿最大圆半径Ra1的大圆阵列时，相邻的圆之间有一部分相交，并且尽量使图6中的圆弧形纬线最大辐射范围H大于最大变形集中区的半径。小圆R1完成阵列以后，删除多余部分，得到如图6所示的剩余多段圆弧。最外层圆弧完成后，将其沿最大圆半径Ra1方向向中心成比例缩小就形成内层各段圆弧，缩放的比例取决于每层圆弧的宽度和各层圆弧的间隔。

在靠近最大变形区的圆环形、圆弧形规则纬线可以选择弹性模量比较大的材料，即与心环材料相同。在离最大变形区远的圆环形、圆弧形规则纬线可以选择与原结构件相同的材料。

步骤四：规则经线的布置一般就是沿着圆环形、圆弧形纬线的中心向此周扩散，也就是沿着变形变化的梯度方向。规则经线的分布密度依据最大变形集中区与最大变形区变形的数量级而定，数量级差别比较大，布置的密度就可以加大些，但是考虑到本结构设计方法的出发点即减轻质量，一般选择布置10～16条，密度不用太大。规则经线的材料可以选择与原结构件相同的材料。

步骤五：在最大变形集中区外，还会有些地方的变形比较大，但是比以上两区域的变形要小的多。这时可以沿着这些区域变形的梯度方向布置一些不规则经线。不规则经线的材料可以选用与原结构件相同的材料。

步骤六：最后是在结构件受力变形较小的部分去除部分材料形成空心的结构，以减轻整个结构件的质量。空心的去除面积也不要太大，太大会对结构件的动刚度产生不利的影响。空心部分的去除一般也要结合结构件的模态分析进行，判断的标准是空心结构的去除对结构件动刚度的影响是否符合设计者的初始要求。

步骤七：按照以上设计步骤对原结构件进行反复改进设计，直到修改的结果满足设计者的要求。

3、优点及功效：本发明仿生蜘蛛网复合材料结构的设计方法设计的结构，其优点如下：

(1)该结构可以实现材料的有效利用，在保证结构刚度的情况下，使材料发挥最大的利用率。

(2)该结构规则经线与圆环形、圆弧形规则纬线结构相互连接，在受力变形区能够很好的抵抗结构的变形，增强了结构抵抗变形的能力。

(3)该结构中心的心环结构是实心环，其在最大变形区域，心环中心与受力变形最大中心重合，能有效的减小结构最大变形区的形变，提高结构的刚度。

(4)该结构不规则的经线结构，其尽量沿变形梯度方向布置，可以极大的抵抗结构的各主要变形方向的受力，同时使材料得到物尽其用。

(5)空心结构处为非力最佳传递路径，大大节省了不必要的材料，在不影响结构刚度的情况下减轻了结构的质量。

(6)圆环形、圆弧形规则纬线、规则经线与不规则经线的结构选择不同的材料，材料按照受力变形图选取。

(7)该结构可以使运动结构件的质量减轻，这使得运动结构件的加速度得到提升，以满足各种高加速度的要求。

(四)附图说明

图1圆环形蜘蛛网结构图；

图2圆弧形蜘蛛网结构图；

图3本发明圆环形蜘蛛网复合材料仿生结构简图；

图4本发明圆弧形蜘蛛网复合材料仿生结构简图；

图5某结构件变形云图的简化示意图；

图6本发明圆弧形蜘蛛网复合材料仿生结构圆弧作图示意图简图；

图7本发明之设计方法流程图。

图中标号说明如下：

1心环                                 2圆环形规则纬线

3规则经线                             4不规则经线

5空心                                 6圆弧形规则纬线

Ra1最大圆半径    R1小圆弧1半径        R2小圆弧2半径

H圆弧形纬线最大辐射范围

在图5中，箭头方向是由大变形指向小变形，阴影区域代表变形梯度曲线，矩形线框代表结构件的范围。

(五)具体实施方式

见图1、图2，蜘蛛网结构有两种形式，即圆环形蜘蛛网结构和圆弧形蜘蛛网结构。本发明为一种仿生蜘蛛网复合材料结构的设计方法一圆环形蜘蛛网复合材料仿生结构与圆弧形蜘蛛网复合材料仿生结构设计方法，利用该方法设计的结构请参阅图3，图4。该结构主要由心环1，圆环形规则纬线2，规则经线3，不规则经线4，空心5和圆弧形规则纬线6组成；

见图7，它为本发明之设计方法流程图。依据不同的结构及其受力状况而不同，本发明一种仿生蜘蛛网复合材料结构的设计方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：首先用有限元分析软件如Ansys对原结构件的受力进行静力分析，得到结构件的受力变形云图，从变形云图中可以观察到结构变形的梯度变化。见图5。

步骤二：从结构件的变形云图中找到最大变形区的位置。一般来说最大变形区是一小块面积。将心环1结构布置到最大变形处，心环1的中心选择在最大变形处面积的中心位置即可，心环1结构的半径取决于最大变形区的大小，一般心环1将最大变形区覆盖即可。心环1结构采用大弹性模量(相比原结构普通材料的弹性模量)的材料。

步骤三：一般最大变形区周围梯度曲线会比较密集，变形量大小的变化会比较缓慢，变形量也明显比结构件的其它部分大，可称为最大变形集中区。此处选择布置圆环形、圆弧形规则纬线2、6和规则经线3。圆环形、圆弧形规则纬线2、6的最大半径一般选择相等或略大于最大变形集中区的半径。圆环形、圆弧形规则纬线2、6的间隔一般在离最大变形区越近越小，离变形区越远越大。在靠近最大变形区的圆环形、圆弧形规则纬线2、6可以选择弹性模量比较大的材料，即与心环1材料相同。在离最大变形区远的圆环形、圆弧形规则纬线2、6可以选择与原结构件相同的材料。由于圆弧形规则纬线6是由数段小圆弧组成，首先需要在最大变形集中区作一个圆，此最大圆半径Ra1要比最大变形集中区的半径大，如图6所示。然后在此最大圆上做一个小圆弧1半径R1，其半径的选择原则是保证此圆沿最大圆半径Ra1的大圆阵列时，相邻的圆之间有一部分相交，并且尽量使图6中的圆弧形纬线最大辐射范围H大于最大变形集中区的半径。小圆弧半径R1完成阵列以后，删除多余部分，得到如图6所示的剩余多段圆弧。最外层圆弧完成后，将其沿最大圆半径Ra1方向向中心成比例缩小就形成内层各段圆弧，缩放的比例取决于每层圆弧的宽度和各层圆弧的间隔。

步骤四：规则经线3的布置一般就是沿着圆环形、圆弧形规则纬线2、6的中心向此周扩散，也就是沿着变形变化的梯度方向。规则经线3的分布密度依据最大变形集中区与最大变形区变形的数量级而定，数量级差别比较大，布置的密度就可以加大些，但是考虑到本结构设计方法的出发点即减轻质量，选择布置条数一般不要超过16条，即密度不要太大。规则经线3的材料可以选择与原结构件相同的材料。

步骤五：在最大变形集中区外，还会有些地方的变形比较大，但是比以上两区域的变形要小的多。这时可以沿着这些区域变形的梯度方向布置一些不规则经线4。不规则经线4的材料可以选用与原结构件相同的材料。

步骤六：最后是在结构件受力变形较小的部分去除部分材料形成空心5的结构，以减轻整个结构件的质量。空心5的去除面积也不要太大，太大会对结构件的动刚度产生不利的影响。空心5部分的去除一般也要结合结构件的模态分析进行，判断的标准是空心5结构的去除对结构件动刚度的影响是否符合设计者的初始要求。

步骤七：按照以上设计步骤对原结构件进行反复改进设计，直到修改的结果满足设计者的要求。

Claims (1)

1.一种仿生蜘蛛网复合材料结构的设计方法，其特征在于：仿生蜘蛛网复合材料结构有两种结构形式，即圆环形蜘蛛网复合材料仿生结构和圆弧形蜘蛛网复合材料仿生结构，它们分别由心环(1)，圆环形规则纬线(2)，规则经线(3)，不规则经线(4)，空心(5)和圆弧形规则纬线(6)组成；该方法具体步骤如下：

步骤一：首先用有限元分析软件Ansys、Abaqus对原结构件的受力进行静力分析，得到结构件的受力变形云图，从变形云图中观察到结构变形的梯度变化；

步骤二：从结构件的变形云图中找到最大变形区的位置；最大变形区是一小块面积，将心环(1)的中心选择在最大变形处面积的中心位置，心环(1)结构的半径取决于最大变形区的大小并将最大变形区覆盖，心环(1)结构采用大弹性模量的材料；

步骤三：最大变形区周围梯度曲线密集，变形量大小的变化缓慢，变形量也明显比结构件的其它部分大，是最大变形集中区，此处选择布置圆环形、圆弧形规则纬线(2)、(6)和规则经线(3)；圆环形、圆弧形规则纬线(2)、(6)的间隔在离最大变形区越近越小，离变形区越远越大；圆环形、圆弧形规则纬线(2)、(6)的最大半径等于或大于最大变形集中区的半径；在靠近最大变形区的圆环形、圆弧形规则纬线(2)、(6)选择弹性模量较大的材料，即与心环(1)材料相同；在离最大变形区远的圆环形、圆弧形规则纬线(2)、(6)可以选择与原结构件相同的材料；

步骤四：规则经线(3)的布置就是沿着圆环形、圆弧形规则纬线(2)、(6)纬线的中心向此周扩散，也就是沿着变形变化的梯度方向；规则经线(3)的分布密度依据最大变形集中区与最大变形区变形的数量级而定，数量级差别比较大，布置的密度就可以加大些，选择布置10～16条，规则经线(3)的材料可以选择与原结构件相同的材料；

步骤五：在最大变形集中区外，还会有些地方的变形比较大，但是比以上两区域的变形要小的多；这时可以沿着这些区域变形的梯度方向布置一些不规则经线(4)；不规则经线(4)的材料选用与原结构件相同的材料；

步骤六：最后是在结构件受力变形较小的部分去除部分材料形成空心(5)的结构，以减轻整个结构件的质量；空心(5)部分的去除要结合结构件的模态分析进行，判断的标准是空心(5)结构的去除对结构件动刚度的影响是否符合设计者的初始要求；

步骤七：按照以上设计步骤对原结构件进行反复改进设计，直到修改的结果满足设计者的要求。

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