[發明專利]一種仿生蜘蛛網復合材料結構的設計方法

無效

• 申請號: 201010258100.6
• 申請日: 2010-08-19
• 公開（公告）號: CN101950316A
• 公開（公告）日: 2011-01-19
• 發明（設計）人: 袁松梅;呂茂斌
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

(一)技術領域

本發明涉及一種仿生蜘蛛網復合材料結構的設計方法，具體涉及航天、航空等軍工領域的部件、機床部件結構的輕量化設計，是一種結構的設計方法。屬于航天航空及各種機械結構輕量化設計技術領域。

(二)背景技術

航天航空技術的發展對各種飛行器的設計提出了更高的要求，在提高飛行器的速度的同時保證其可靠性成為研究的重點，這使得飛行器的輕量化設計越來越重要。

機械加工技術要求機床具有高加速度、高精度。這就要求機床運動部件小質量、高剛度，即運動結構部件的比剛度要高。這也對機床的輕量化設計提出了要求。

目前，這些部件輕量化設計主要有兩種方法：一是通過使用“比剛度、比強度”比較高的材料或纖維增強材料。另一種方法是在一定的材料的前提下，分析結構的載荷情況，優化結構的材料分布，提高其強度和剛度，從而獲得高“比強度”、“比剛度”的結構。在現有結構設計理論基礎上，要進一步降低結構件重量，提高結構件的承力性能，必須尋找新的結構設計方法和思路。

自然界的生物經過了漫長的進化過程，逐漸形成了各種各樣的力學性能優異、構造獨特的生物結構。這些結構為人類解決工程技術問題提供了啟發性的素材。蜘蛛網的結構就是大自然塑造的神奇結構其中之一。蜘蛛網能夠承受很大的力，主要是由蜘蛛網的結構與蜘蛛絲的特殊材料決定的。現階段大多數研究人員將蜘蛛絲的組成成分作為研究的主要內容，而對于蜘蛛網的結構研究卻較少。蜘蛛網是由兩種不同成分的絲組成，向四周輻射的絲干燥不粘，而環繞中心的一圈圈的絲如同強力膠水，粘性極強。本發明就是基于蜘蛛網的結構與蜘蛛絲成分的互異性而得到。通過研究蜘蛛網的結構與材料互異性優勢，提出了仿生蜘蛛網復合材料結構的設計方法，將其應用到實際的結構件的設計當中，實現航空航天結構件的輕量化設計。

(三)發明內容

1、目的：本發明的目的在于提供一種仿生蜘蛛網復合材料結構的設計方法，以實現結構件的輕量化設計，提高結構的比強度。該結構設計方法可以使原有結構在比剛度提高的情況下減小結構的質量，實現結構的輕量化、高剛度設計。

2、技術方案：

見圖1、圖2，蜘蛛網結構有兩種形式，即圓環形蜘蛛網結構和圓弧形蜘蛛網結構，因此，仿生蜘蛛網復合材料結構也有相應的兩種結構形式，即圓環形蜘蛛網復合材料仿生結構和圓弧形蜘蛛網復合材料仿生結構。它們分別由心環1，圓環形規則緯線2，規則經線3，不規則經線4，空心5，圓弧形規則緯線6組成；見圖3、圖4。

本發明一種仿生蜘蛛網復合材料結構的設計方法，該方法具體步驟如下：

步驟一：在結構設計之前，首先對原結構件的受力進行靜力分析，得到結構件的受力變形云圖。這借助于常用的有限元分析軟件如Ansys、Abaqus、MSC.Marc等，很容易實現，從變形云圖中可以觀察到結構變形的梯度變化。見圖5。

步驟二：從結構件的變形云圖中找到最大變形區的位置。一般來說最大變形區是一小塊面積。將心環結構布置到最大變形處，心環的中心選擇在最大變形處面積的中心位置即可，心環結構的半徑取決于最大變形區的大小，一般心環將最大變形區覆蓋即可。心環結構采用大彈性模量(相比原結構普通材料的彈性模量)的材料。

步驟三：一般最大變形區周圍梯度曲線會比較密集，變形量大小的變化會比較緩慢，變形量也明顯比結構件的其它部分大，可稱為最大變形集中區。此處選擇布置圓環形、圓弧形規則緯線和規則經線。圓環形、圓弧形規則緯線的間隔一般在離最大變形區越近越小，離變形區越遠越大。每層規則緯線的寬度可根據變形梯度場的疏密靈活選擇。圓環形規則緯線的最大半徑一般選擇相等或大于最大變形集中區的半徑。

由于圓弧形規則緯線的是由數段小圓弧組成，其構件過程比圓環形規則緯線略微復雜。首先需要在最大變形集中區作一個圓，此最大圓半徑Ra1要比最大變形集中區的半徑大，如圖6所示。然后在此最大圓上做一個小圓R1，其半徑的選擇原則是保證此圓沿最大圓半徑Ra1的大圓陣列時，相鄰的圓之間有一部分相交，并且盡量使圖6中的圓弧形緯線最大輻射范圍H大于最大變形集中區的半徑。小圓R1完成陣列以后，刪除多余部分，得到如圖6所示的剩余多段圓弧。最外層圓弧完成后，將其沿最大圓半徑Ra1方向向中心成比例縮小就形成內層各段圓弧，縮放的比例取決于每層圓弧的寬度和各層圓弧的間隔。

在靠近最大變形區的圓環形、圓弧形規則緯線可以選擇彈性模量比較大的材料，即與心環材料相同。在離最大變形區遠的圓環形、圓弧形規則緯線可以選擇與原結構件相同的材料。