玄武岩纤维增强树脂复合材料甲虫板的等效模型及其振动机理研究

To develop light-weight and high-strength structure and material, in the light of beetle elytron plate (BEP), a type of bionic sandwich structure inspired of beetle elytra, of which we already possess a series of proprietary intellectual property rights, this project will firstly, on the basis of early research, manufacture BEPs with short basalt fiber reinforcement polymer to study the static mechanical performances systematically (such as compression, bending and so on), and secondly analyse how the coupling effect of trabecular-honeycomb structure influences mechanical performances mentioned above. Thirdly, utilizing the sandwich theory, the equivalent mechanical parameters of basic core unit will be calculated to establish a numerical equivalent model of the BEP, and the model will be revised with experimental data. Finally, on the basis of equivalent model, the vibration properties of the BEPs will be studied, and the influence of trabecular-honeycomb structure to BEP’s vibration in different conditions will be explored with the comparison with honeycomb panels. This project provides a theoretical and application basis for the development of fiber composite material BEPs, and consequently, has significant meanings, in both economic and social aspects, to the continued and rapid development of aviation, spaceflight and high-speed rail industry of our nation.

为了开发轻质高强结构材料，本项目针对已经拥有一系列自主知识产权的甲虫前翅仿生夹层板结构（甲虫板），首先在前期的研究基础上，利用短切玄武岩纤维增强树脂基复合材料制备甲虫板；再通过实验、数值模拟和理论分析等方法，系统研究其压缩、弯曲、剪切等静力学性能，并分析小柱-蜂窝结构的耦合效应对上述力学性能的影响机理；利用夹层板理论，通过计算小柱-蜂窝芯层结构基本单元的等效力学参数，建立基于数值模拟方法的甲虫板等效模型，并利用前述实验数据对该等效模型进行初步修正；基于上述等效模型，利用数值模拟和实验方法研究甲虫板振动性能，并通过和蜂窝板结构的对比分析探明小柱-蜂窝结构对甲虫板振动条件下频率、振型及其特征的影响规律。本项目为开发纤维复合材料甲虫板产品提供理论及应用基础，对目前我国航空、航天、高铁等行业的持续高速发展具有重要经济和社会意义。

为了开发轻质高强结构材料，本项目系统研究了玄武岩纤维复合材料甲虫前翅仿生夹层板结构（甲虫板）的力学性能、等效模型和振动性能，得到了如下成果。.1）利用3D打印技术，制备了甲虫板，探明了其压缩、弯曲、剪切、耗能等力学性能，考察了其破坏形式和内部影响机制，为玄武岩纤维甲虫板的力学研究奠定了坚实的基础。在此基础上，制备了空心和泡沫填充两种情况下的短切玄武岩纤维增强的环氧树脂复合材料甲虫板，研究其压缩性能和破坏特征。结果表明，与经典的蜂窝板相比，甲虫板各项指标增幅大多在30%以上，拥有明显优越的力学性能。.2）通过对格栅甲虫板的芯层的等效研究，建立了格栅甲虫板芯层等效模型，推导了单元体的面内外压缩、剪切模量，等效泊松比等。展开了参数化的研究，从理论层面探究了格栅甲虫板芯层的力学性能与尺寸的关系，明确了小柱的存在对力学性能的影响机理以及趋势。首次从理论上证实了甲虫板的优越性，为今后深化研究奠定了基础。.3）分别用金属材料和泡沫填充短切玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料制备了壁端柱甲虫板，通过与蜂窝板的对比实验研究了悬臂甲虫板在横向荷载下的振动性能，证实了泡沫填充在增强了整体芯层结构剪切刚度的同时降低了面板和芯层骨架的承剪比例，对芯层骨架和面板起到了积极的保护作用。.此外，本项目还对曲面甲虫板及其甲虫板在节能、吸能盒以及桥梁等新领域的应用进行了拓展研究。最终，共发表了29篇SCI论文（为原计划的2倍，且大多为JCR，Q1和Q2区的期刊）；构建了较为全面和完善的甲虫前翅仿生理论和仿生体系，对我国甲虫前翅仿生学科以及夹层板领域做出创新性的研究与探索，为开发纤维复合材料甲虫板产品提供理论及应用基础，有望对我国航空、航天、高铁等行业的持续高速发展产生较为重要的经济和社会意义。