仿生波紋夾層結構的案例
仿生波紋夾層結構建模插件 ￥120
華中科技大學：一種新型3D打印仿生波紋夾層結構三點彎試驗及失效分析
復合材料力學 | 原創作品 | 未經允許不得轉載
以下是付費插件及仿真案例。
【工程欣賞】波紋鋼結構餐廳
天鵝絨在整個空間中非常突出，最著名的是用于裝飾波紋鋼包墻，每個房間都使用不同的色調。這不僅創造了看起來戲劇性的波浪紋理，而且還意味著墻壁成為有效的吸音板。 與豐富的天鵝絨相比，定制的家具和飾面由原材料制成，包括楊木樹皮飾面和生銹的紅色大理石。
BUCK proposed a palette of nature-inspired shades as the common denominator across each room, with coral, teal, honey, and royal blue defining the restaurant. Velvet is prominent throughout, most notably used to upholster the corrugated steel-clad walls, a different shade used for each room. This not only creates a wavy texture that looks dramatic, but also means the walls double as effective acoustic panels. In contrast to the rich velvet, bespoke furniture and finishes are made of raw materials including poplar burl veneer and rusty red marble.
BUCK從不回避與圖案沖突的材料，而是堅持使用指定的調色板。有些房間鋪著幾何水磨石磚，有些房間鋪著實木拼花地板，樓梯間鋪著垂直的地鐵地磚。
展開 復合材料夾層結構 ￥10
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Cevotec將纖維貼片放置擴展到夾層結構，大型飛機結構，并與AFP相結合
自動化航空夾層結構
Cevotec開發了SAMBA Multi生產系統，通過將復雜的材料混合物（如粘合劑薄膜，玻璃纖維和碳纖維層）應用到常用的夾層芯（如鋁蜂窩）上，生產復雜的夾層結構組件?！癝AMBA Multi生產系統能夠在一個系統中自動鋪設這種多材料混合物，” Cevotec 首席技術官Felix Michl 報道。除了玻璃纖維羊毛，金屬結構和木芯（例如輕木），SAMBA Multi還可以應用 負載調整的纖維補片增強材料蜂窩，泡沫和其他核心材料。根據工藝要求，這可以在線生產或與生產線并行完成，以優化循環時間。
SAMBA Multi具有平行單元，用于輸送不同的材料，然后精確地放置在3D夾芯或預成型工具上。通過將FPP單元安裝在線性軸上，該概念還可以為航空航天應用生產長而寬的部件。貼片夾具適用于特定的元件尺寸，可根據DIN-A5和DIN-A4尺寸進行調整，以滿足普通飛機部件的要求。集成的夾持站可在此過程中更換夾具。
“復雜三明治組件的自動化多層材料鋪設對加工時間和生產量產生了極為積極的影響，”Cevotec總經理Thorsten Groene解釋道?！巴ㄟ^控制壓力和熱量進行纖維沉積，可以避免中間壓縮，從而大大縮短加工時間?！盙roene補充說，FPP可持續降低許多應用中的重復生產成本?！安牧瞎澥?0-50％起主要作用，但FPP自動化通?？梢赃M一步優化整個過程?！?SAMBA Multi也很容易擴展。Michl解釋說，同樣的過程每年都會產生幾百到幾千個單位。例如，這些是嶄露頭角的“飛行汽車”行業中的預期情景。 “由于快速變更系統和簡短設置時間，系統上的產品變更沒有問題，經濟上合理：在升級過程中，FPP系統的容量可用于多個組件。隨著數量的增加，機器園區擴大，系統變得更加專用。優勢：流程保持不變 - 無需新產品開發，也無需重新認證零件。
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仿生結構是如何被運用的？
SOM將竹子的這些特性應用到了中國國際貿易中心（China World Trade Center）的結構方案設計中。塔樓在高度方向被分成八段，底部受力最大，因此底部節間長度較小以增強塔樓穩定性。同時自下而上結構直徑逐漸減小，以減小風荷載的作用。并且仿效竹子的形狀特性規律，對外形及壁厚進行了數學表達。
其中，n是根據總層數與建筑體形所規定的形狀系數，N是結構總高度，yn是每段的節間長度，dn是節間直徑，t是壁厚。
結構采用外部巨型支撐+內部帶伸臂桁架的框架核心筒雙重結構體系，外部支撐結構和內部框筒結構都遵循同樣的分布規律。外部巨型支撐結構相當于竹子的外壁纖維，支撐長度可根據公式2算出。內部結構的伸臂桁架就相當于竹節，桁架間距在中部最大，在上下兩頭最小。同時，構件的壁厚就相當于竹壁壁厚，可根據公式4推出。
可見，在SOM的這個設計中，對于竹子的借鑒并不是只停留在概念上，或只把仿生作為一個噱頭。而是對整體形態及構件壁厚均參照竹子做了數學表達。從結構設計理念和創新上來說，SOM在高層設計領域還是很先進的。
螺旋與網格
自然界中很多物體明明風馬牛不相及，但是形式卻極其相似，比如仔細觀察風暴眼、和貝殼，可以發現不約而同都是螺旋形。在20世紀初Michell在他對懸臂梁的研究中發現了這個規律。對于一個懸臂構件，在端頭施加一個點荷載，其主應力的流線方向恰好符合螺旋形。而后隨著計算機技術發展，通過拓撲優化算法進行結構優化時，也得到了相近的答案。
在洛杉磯Transbay Transit 塔樓的設計中，設計師將其用于了外部支撐體系的優化。其外部支撐呈螺旋形，下部有兩處腳點落地，此處即相當于“風暴眼”的位置，是受力最為集中的地方，因此網格也最為密集。自下而上結構受力逐漸減小，因此網格也逐漸變疏。
展開 復合材料夾層結構分析
復合材料夾層結構分析.ppt
鋼波紋板結構在隧道工程中的應用
在國外一些發達國家，鋼波紋板結構已普遍應用于既有鐵路工程。該方案具有如下幾方面優勢：
（1）對既有鐵路線運營的影響降至最低。主體結構采用預制拼裝結構，板片在工廠內加工完成，分片疊合后，采用汽車運輸至施工現場，然后現場拼裝成整體，采用汽車吊吊裝至擴大基礎上，既有鐵路線無需限速。
（2）施工速度快。采用預制拼裝施工工藝，比傳統混凝土橋跨方案可縮短50%的工期。
（3）該工程造價低。傳統橋梁需要多跨預制結構，采用本方案，僅需一跨，工程造價節約50%以上。結構高度小，可減少接線長度，進一步節約工程造價。
（4）耐久性好。采用成熟的鍍鋅施工工藝，使用壽命100年。
（5）低碳環保。響應國家政策號召，采用低碳環保的建筑材料。
基于以上優良的施工和工作性能，國內外開始采用波紋板隧道結構。以下是國內外一些部分工程案例：
【案例1】管拱形閉口斷面鐵路隧道
本項目為新建工程，隧道端墻采用格賓柔性擋土墻，受力協調性和波紋板結構協調，格賓擋土墻為拼裝式結構，施工速度快。
閉口截面波紋鋼板結構鐵路橋梁
【案例2】高拱斷面雙軌鐵路隧道
本項目為被交道新建，要求不能中斷鐵路交通。鋼波紋板結構采用分體式結構，內部設置支撐架，便于波紋板拼裝定位。
雙軌道波紋鋼板鐵路隧道1
雙軌道波紋鋼板鐵路隧道2
波紋鋼板鐵路隧道2
公路上跨既有鐵路線
【案例3】高拱形單軌隧道
隧道斷面采用高拱型斷面，端墻采用波紋板結構。
通車中的波紋板橋
以上為國際案例，實際上，基于鋼波紋板結構的優異性能，國內隧道工程也開始嘗試采用波紋板結構，以下為國內案例。
展開 復合材料蜂窩夾層結構的優化設計
復合材料蜂窩夾層結構的優化設計.rar
泡沫塑料夾層結構制造工藝技術
（3）泡沫塑料夾層結構制造
泡沫塑料夾層結構的制造方法有：預制粘接法、現場澆注成型法和連續機械成型法三種。
①預制粘接法
將蒙皮和泡沫塑料芯材分別制造，然后再將它們粘接成整體。預制成型法的優點是能適用各種泡沫塑料，工藝簡單，不需要復雜機械設備等。其缺點是生產效率低， 質量不易保證。
②整體澆注成型法
先預制好夾層結構的外殼，然后將混合均勻的泡沫料漿澆入殼體內，經過發泡成型和固化處理，使泡沫漲滿腔體，并和殼體粘接成一個整體結構。
③連續成型法
適用于生產泡沫塑料夾層結構板材。
高透明水晶樹脂https://www.hongyantu.com/index.php?r=landing/index&id=szjgb
展開 美國西北大學多材料3D打印仿生螺旋結構
螺旋結構普遍存在于動植物結構中，而這些生物結構往往具有較高的損傷抗性，具有優異的抗斷裂性能。美國西北大學的Zaheri等利用Stratasys開發的多材料3D打印機Connex350對螺旋結構進行了仿生打印，借此研究螺旋結構對結構損傷容限性能。
Zaheri等將研究成果發表分析了甲蟲在不同生命階段的鞘翅中纖維的排布特點，研究發現甲蟲會因為不同生命階段的生物需求，而讓鞘翅中的纖維有不同的排布，如圖1所示，在幼蟲階段，纖維是完全螺旋排布；而在成熟階段，纖維呈現不完全的螺旋排布。原因在于，幼蟲階段，甲蟲最大的需求是保護自身安全，因此高剛度纖維排布；而在甲蟲成熟階段，甲蟲需要哺食獵物，因此鞘翅要平衡飛行性能，所以采用不完全的螺旋排布設計。
圖1 甲蟲在不同生長階段的結構形態：幼蟲（TypeⅠ）和成熟期（TypeⅡ）
文章中對不同螺旋角度對結構綜合性能的影響進行了分析，實驗及分析表明較低的單層螺旋角可產生改善的各向同性和增強的韌性，螺旋結構具有較高的靈活性。
生物中有很多優異的結構可以為人類提供嶄新的思路，為工程中的問題提供解決方案，為新材料結構的設計提供嶄新的設計思路。類似這樣的螺旋結構，3D打印為其研究提供了有效技術支撐，為仿生材料的應用提供了實現途徑，在不久的未來，隨著3D打印科技的發展，仿生方面的研究將進入全新的領域。
來源：機械制造系統工程國家重點實驗室
展開 仿生材料的微組織結構對力學性能的影響
生物材料盡管由性能并不突出的簡單組元在相對溫和的條件下組裝而成，但卻表現出優異的綜合力學性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復雜而巧妙的組織結構，特別是由此帶來的獨特的變形與斷裂機制和強韌化機理。
圖1 原使取向與受力之后微組織結構的再取向
中科院某科研團隊系統地闡明了天然生物材料梯度設計的形式、原則及其起到的作用與機制的基礎上，首次提出了新型材料組織結構取向梯度的概念與設計原則，建立了組織結構取向以及變形過程中發生的結構再取向與材料力學性能之間的系統定量關系，通過控制微觀組織結構取向實現材料的局域剛度、強度與韌性的優化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學性能。
圖2 材料通過微觀組織結構再取向實現綜合力學性能的全面同步提升
同時該課題組發現：材料在加載過程中發生的組織結構再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠為實現綜合力學性能的改善提供有效的途徑，如圖2所示。通過調整自身的組織結構與所受外力之間的取向關系，材料在拉伸條件下的剛度和強度逐步提高，同時裂紋擴展路徑逐漸偏離最大正應力方向，因而斷裂韌性得以同步增強；而在壓縮條件下，材料的力學穩定性與劈裂韌性也表現出同步增大的趨勢。因此，材料可以利用有限的變形實現其剛度、強度、穩定性與斷裂韌性的全面提升，而這些性能本身則往往體現出相互制約的關系。
(a) 復合結構在受到壓力之后逐漸偏離正應力方向；(b、c) 取向軸的角度偏離微觀、宏觀表述
圖3
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201705220
來源：材料前沿科技微信公眾號（ID：clqykj），作者：Mr.Five。
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復合材料夾層結構常用PVC多孔泡沫材料參數
復合材料夾層結構常用PVC多孔泡沫材料參數.pdf
受“墨魚”仿生結構啟發制備具有優異熱管理性電磁屏蔽的復合材料
然而，對墨魚自電磁屏蔽偽裝的仿生研究很少涉及。許多大型海洋捕食者，如鯊魚，在很大程度上依賴于它們的嘴和鼻子上的敏感傳感器來捕捉其他獵物發出的電磁波。值得注意的是，當捕食者靠近時，墨魚會通過凍結呼吸來屏蔽其生物電磁場，從而保護自己不被發現。
受墨魚在被捕食風險時凍結呼吸屏蔽生物電磁場機制的啟發，可以合理設計一種基于自變形液態金屬網絡的新型智能EMI屏蔽功能材料，同時提供電子器件的自適應熱管理。液態金屬網絡的收縮可以屏蔽電子操作過程中產生的電磁波，就像墨魚在有被捕食風險的情況下屏蔽生物電磁場一樣。同時，收縮的液態金屬網絡還可以增強電子器件的散熱性能。
02
成果掠影
近期，上海交通大學鄧濤教授和宋成軼教授受墨魚在被捕食風險時凍結呼吸屏蔽生物電磁場機制的啟發設計一種具有自適應電磁波干擾屏蔽和熱管理功能的功能材料。液晶彈性體基體賦予了LGN-LCE在熱激活下的動態自變形特性，從而使液態金屬網絡具有可調的導熱/導電性。隨著周圍溫度的升高，LGN-LCE的導熱系數可提高到10.3 W/mK，電導率可提高到4.3 × 105 S/m。這種導電性的提高有助于增強LGN-LCE的電磁干擾屏蔽性能，在X波段內，LGN-LCE的最小電磁干擾屏蔽效能可從48 dB提高到62 dB。這項工作不僅為合理設計自適應電磁干擾屏蔽和熱管理系統鋪平了新的道路，而且在熱管理材料、電磁干擾材料、柔性電子材料、智能材料、人工智能系統、生物醫學和航空航天等領域具有良好的實際應用前景。
展開 基于VUMAT復合材料夾層結構沖擊仿真
1 低速沖擊問題
夾層結構具備良好的吸能特性，其沖擊特性一直是被重點關注的方向。
本期主要對復合材料夾層結構低速沖擊的仿真進行介紹。
我本人做靜力問題相對多些，沖擊問題以前做過一個仿真效果，沒有深入研究。這幾天和學流體的師兄交流的時候，他說他同學有一個搞高速沖擊的，用流體的方法搞。
好奇心來了，流體的方法怎么搞？
師兄曰，高速情況下，彈子穿過一些物體，不就像彈子游在水里一樣嘛。
雖然說得很玄妙，但是好像很有道理。實際上流體和固體很多現象很接近。就比如帶孔板的拉伸和圓柱擾流，云圖真是傻傻難分。并且還真有學者找到兩者的本構共通性，用圓柱繞流來研究帶孔板。
一下子扯遠了，繼續低速沖擊。
2 模型
考慮如下模型，邊界條件為底部固支，上面板四個角點固支。面板失效基于Hashin準則判斷，芯層失效基于MISESS準則判斷。
看似簡單的問題往往暗含殺“雞”。
1） 沖頭設置為剛體，其密度的取值，不能直接賦予鋼的屬性。因為實際的沖頭結構為柱狀。建模中，處于簡化考慮，取頭部半球進行建模，為此需要根據實際沖頭質量，換算出仿真用沖頭的密度。
2） 面板和夾層之間可以綁定，如果夾層是蜂窩這類非均勻結構，用接觸屬性會比較合適，但是接觸的定義要考慮好，否則很容易穿透，或者大滑移。
3） 同樣的，沖頭和面板的接觸也要注意，網格的疏密和接觸屬性都可能造成穿透。
4） 為了防止網格過度扭曲，要對網格扭曲進行控制，也可以縮放其質量，或者對過度扭曲的單元，直接賦予高模量。
5） 載荷為速度載荷，如果已知沖擊能量，就根據沖頭質量進行速度換算，這是高中知識了。
3 VUMAT
1) 我們此次使用VUMAT最重要的目的是，實現失效區域的識別。
2) 本次VUMAT關鍵輸出，是應力的更新和損傷變量的更新。
展開 一文了解蜂窩夾層結構制造、加工與有限元分析
蜂窩夾層結構是復合材料的一種特殊類型。由于這種輕型結構材料具有最優比強度 、比剛度 、最大抗疲勞性能 、表面平整光滑等特點 ,已在航空、航天領域得到較為廣泛地應用 。
蜂窩夾層結構實質上是由面板、蜂窩芯和膠黏劑3 種基本材料組合而成的復合材料 。常用的為鋁面板 - 鋁蜂窩夾層結構 、碳纖維面板 -芳綸紙蜂窩夾層結構 、玻璃纖維面板 - 玻璃纖維蜂窩夾層結構、 芙拉纖維面板 -Nomex 蜂窩夾層結構等。
從幾何形狀角度，最常見的蜂窩形式為正六邊形蜂窩，其他還有原型蜂窩、過拉伸蜂窩。其中過拉伸蜂窩在一個方向可以產生較大的彎曲變形，適用于曲率比較大的區結構。
六邊形蜂窩
過拉伸蜂窩
當然還有一些特殊的通過蜂窩結構來實現負泊松比效應的結構。
蜂窩的制造與加工
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點擊以下鏈接觀看全自動紙蜂窩制造過程：
全自動蜂窩紙板生產線
點擊以下鏈接觀看航空紙蜂窩切削加工：
飛行器蜂窩加工
蜂窩夾層結構有限元分析
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蜂窩夾層結構有限元分析一般分為兩種方法：
（1）宏觀等效夾層建模
（2）蜂窩細節建模
等效夾層建模指將蜂窩夾層等效為均勻的實體，而不建立蜂窩具體的晶格形狀。適用于整體結構剛度分析。
需要特別注意的是，在將蜂窩等效為均質實體時，務必采用三維實體單元模擬夾層，不可使用殼單元或連續殼單元，面板則使用殼單元、連續殼或者實體單元均可。
此類模型可以用于求解結構整體的變形。局部的細節應力應變表征誤差很大。
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