基于竹子的仿生学设计.pptx

汇报人：基于竹子的仿生设计Bionicdesignbasedonbamboo|设计力学答辩|

目录结构设计StructureDesign建模应力分析Modelingstressanalysis力学计算Mechanicalcalculations应用前景Applicationprospects

PARTONE结构设计StructureDesign

选题背景依据从力学的角度可将管状植物茎视作有隔板的圆柱壳。其一般的失效方式为由失稳引起的折断或者断裂，失稳为失效的主要原因。Brazier对薄壁圆柱壳做了研究，观测到当薄壁管弯曲的时候，圆形的截面逐渐变成了椭圆。在这个逐渐椭圆的过程中载荷和变形的曲线由线性变成了非线性。随着弯曲的增加曲率半径减小。当到达最大点的时候，因局部屈曲引起失效。Crook和Ennos提出Brazier屈曲能够对薄壁有毁灭性的破坏，是管状植物结构产生倒伏的一个重要原因。Niklas等(l997)认为空心有节植物茎节的机械特性与弹簧连接类似，当茎被弯曲的时候茎节存储能量，当载荷去掉的时候释放能量并恢复到原始状态。

选题背景依据横隔可以提高柱壳的失稳承载力；横隔刚度（厚度）越大，柱壳稳定承载力越高。横隔间距越小，柱壳稳定承载力越高。在横隔总量一定的情况下，增加横隔的个数可以更有效地提高柱壳的稳定承载力。

选题背景依据竹材作为结构来使用在人类的建筑历史上由来已久。竹子轻质细长强度大，用竹子所建造的房屋在大风中屹然不倒，可见其构造是极其符合力学原理的。从宏观上看，竹子的茎秆结构由若干段竹节构成，呈空心夹层且底端固定的悬臂梁结构。茎秆承受风载、自重等引起的弯矩、剪力和扭矩的作用，具有极强的抗弯力。竹子

选题背景依据竹节达到相同曲率的时候，没有茎节时，其危险截面惯性矩减小的速度加快。没有茎节的结构更容易发生局部曲以致结构失稳。当以较小间距，从固定端增加多个茎节时，由于节距小，在局部屈曲区域内节的强化作用明显。使结构能够承受更大的弯距延迟了屈曲的发生

结构横截面结构竹子的抗弯能力实质上是其径向截面维持原状的能力。竹子主要承力组织为维管束纤维。维管束纤维呈现一定的分布规律，它是中空厚壁的双螺旋结构。

结构添加茎节——加强筋

结构模拟竹节，设计横向筋板。模拟竹子横截面结构，设计筋板结构。提高强度的同时，实现轻量化的同时减小最大应力。挖洞——实现轻量化

建模应力分析ModelingstressanalysisPARTTWO

材料选用钛合金是金属材料。钛合金指的是钦和其他金属制作而成的合金，它属于重要的结构金属。钛合金的性能也不错，比如说这类金属材料的强度高，其强度远远超过了其他金属结构材料。钛合金的质轻其密度为钢材的百分之六十左右。钛合金还具有抗腐蚀性能好、耐热性能好、机械性能好等优点，被广泛的运用在航空等领域钛合金

静力分析通过等效应力数值超过材料的许用应力与否判断构件能否满足其强度要求，即强度条件应当满足：σmax≤[σ]取材料的安全系数为1.5则根据其屈服应力得出其许用应力为915MPa在9.5MN下，立柱所受的最大等效应力为800MPa,最大变形为1.5mm。

静力分析通过等效应力数值超过材料的许用应力与否判断构件能否满足其强度要求，即强度条件应当满足：σmax≤[σ]取材料的安全系数为1.5则根据其屈服应力得出其许用应力为915MPa在9.5MN下，立柱所受的最大等效应力为392.5MPa,最大变形为1.148mm,立柱的最大等效应力小于其许可应力915MPa，并且形变量很小，说明它有很好的抗弯能力。

力学计算MechanicalcalculationsPARTTHREE

惯性矩计算更大——最大应力更小=6.63=6.96

强度计算每段单跨简支梁它除了受均布载荷作用外，还受到左右两段相邻的简支梁传递的弯矩作用第i个支点处的截面弯矩为对于连续的梁，支点左右两侧的截面转角相等，即整理化简为左右边界条件为上述方程的特征方程为解得特征根为特解为通解为将通解代入左右边界条件，确定未知系数

结构第i个支点处的截面弯矩为第一段简支梁的挠曲线方程为求导，得挠度最大位置

强度计算满足强度要求

刚度计算满足刚度要求

PARTFOUR应用前景Applicationprospects

结构可应用于客机货舱地板结构加载斜撑

受力分析

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