浙江大学 硕士学位论文 新型空间悬挑结构仿生（蜻蜓翅膀）设计研究 姓名：张戈 申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：李忠学 20070501
浙江大学 硕士学位论文 新型空间悬挑结构仿生（蜻蜓翅膀）设计研究 姓名：张戈 申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：李忠学 20070501
浙江大学硕士学位论文2007 摘要 建筑结构仿生可归纳为两种类型：一类是“技术推进型”，即从研究生物出发，系统研 究一种或多种生物的结构特征，然后将有价值的生物结构形式应用到建筑结构上去：另一 类为“需求推进型”，在建筑结构（构件）设计中碰到难题后，转向生物界寻找灵感和启 发，在对生物各类结构形式的甄别、分析和组合后加以模仿，从而设计出最优的建筑结构 方案。本文基于第一类基本思路，重点研究蜻蜓翅膀的结构特征，然后在此基础上进行空 间悬挑结构的仿生设计。 首先，通过实验观测及相关文献所提供的模型数据，利用通用有限元软件ANSYS建立 了蜻蜓后翅的数值模型。为了达到翅膜与翅脉的变形的协调，采用三节点架单元beaml89 来模拟翅脉和八节点等参曲壳单元shll93来模拟翅膜。由于蜻蜓翅膀结构的复杂性，本 文分别建立了平面结构模型和“起皱起拱”的三维结构模型。 蜻蜓后翅的平面结构模型分析得到：蜻蜓翅膀主脉承担主要轴力和弯矩，从脉几乎不 承担或承担很小的轴力和弯矩，但是从脉在结构的整体刚度和稳定性方面起着重要作用。 “起拱起皱”的三维结构模型分析得到：翅膀前缘的“起皱”和翅弦方向的“起拱”显著 提高了结构的抗弯刚度；管径较粗的主脉承担较大的轴力，而弯矩值很小。对比三维模型 与平面模型的轴力图发现，三维模型的结构传力更清晰流畅简捷合理，其轴力较少发生突 变。这证明了蜻蜓翅膀结构的天然合理性。本文还分析了翅膜中的预应力对于翅膀结构刚 度的影响，分析得出翅膜中的预应力能显著提高结构的平面外刚度。 通过对翅膀“起皱”结构扭转刚度的理论推导得到：对于类似蜻蜓翅膀的薄壁“起皱” 结构，翘曲刚度在整个结构的扭转刚度中起主导作用。蜻蜓翅膀前缘的“起皱”结构不仅 显著提高了结构的抗弯刚度，也大大提高了翅膀的翘曲刚度。 基于根据蜻蜓翅膀的网格特征，本文构建了七种不同网格的空间悬挑结构。每种网格 结构都分无壳起拱、有壳起拱、无壳起皱、有壳起皱四类情况。对于起皱网格结构，无论 有无壳，交错四边形网格结构的刚度均要小于非交错四边形网格结构的刚度；面对于有壳 起拱的网格结构，交错四边网格结构的刚度要大。对于无壳起拱结构，情况较复杂，需得 根据起拱的高度来判断两者的优劣。分析还得出，在相同材料下，悬挑结构的横向网格密 度越大，结构的刚度也就越大。 基于蜻蜓翅膀结构的分析结果，本文设计了四类结构新型、形态活泼的仿生空间悬挑 结构。通过线性、几何非线性的计算，发现四类仿生结构均获得了良好的力学性能。文中 还模仿蜂蜓翅痣的作用，在仿生悬挑结构的自由端施加重物块，结论是用弹簧悬挂重物块 于结构上能起到很好地“减振”作用。 关键词：蜻蜓翅膀网状翅脉结构仿生翅痣悬臂结构非线性有限元 -i
浙江大学硕士学位论文2007 摘要 建筑结构仿生可归纳为两种类型：一类是“技术推进型”，即从研究生物出发，系统研 究一种或多种生物的结构特征，然后将有价值的生物结构形式应用到建筑结构上去；另一 类为“需求推进型”，在建筑结构(构件)设计中碰到难题后，转向生物界寻找灵感和启 发，在对生物各类结构形式的甄别、分析和组合后加以模仿，从而设计出最优的建筑结构 方案。本文基于第一类基本思路，重点研究蜻蜒翅膀的结构特征，然后在此基础上进行空 间悬挑结构的仿生设计。 首先，通过实验观测及相关文献所提供的模型数据，利用通用有限元软件ANSYS建立 了蜻蜓后翅的数值模型。为了达到翅膜与翅脉的变形的协调，采用三节点梁单元beaml89 来模拟翅脉和八节点等参曲壳单元s1"1193来模拟翅膜．由于蜻蜒翅膀结构的复杂性，本 文分别建立了平面结构模型和“起皱起拱”的三维结构模型。 蜻蜒后翅的平面结构模型分析得到：蜻蜒翅膀主脉承担主要轴力和弯矩，从脉几乎不 承担或承担很小的轴力和弯矩，但是从脉在结构的整体刚度和稳定性方面起着重要作用。 “起拱起皱”的三维结构模型分析得到：翅膀前缘的“起皱”和翅弦方向的“起拱”显著 提高了结构的抗弯刚度；管径较粗的主脉承担较大的轴力，而弯矩值很小。对比三维模型 与平面模型的轴力图发现，三维模型的结构传力更清晰流畅简捷合理，其轴力较少发生突 变．这证明了蜻蜒翅膀结构的天然合理性。本文还分析了翅膜中的预应力对于翅膀结构刚 度的影响，分析得出翅膜中的预应力能显著提高结构的平面外刚度。 通过对翅膀“起皱”结构扭转刚度的理论推导得到：对于类似蜻蜒翅膀的薄壁“起皱” 结构，翘曲刚度在整个结构的扭转刚度中起主导作用。蜻蜒翅膀前缘的“起皱”结构不仅 显著提高了结构的抗弯刚度，也大大提高了翅膀的翘曲刚度。 基于根据蜻蜒翅膀的网格特征，本文构建了七种不同网格的空间悬挑结构。每种网格 结构都分无壳起拱、有壳起拱、无壳起皱，有壳起皱四类情况。对于起皱网格结构，无论 有无壳，交错四边形网格结构的刚度均要小于非交错四边形网格结构的刚度；而对于有壳 起拱的网格结构，交错四边网格结构的刚度要大．对于无壳起拱结构，情况较复杂，需得 根据起拱的高度来判断两者的优劣。分析还得出．在相同材料下，悬挑结构的横向网格密 度越大，结构的刚度也就越大。 基于蜻蜒翅膀结构的分析结果，本文设计了四类结构新型，形态活泼的仿生空间悬挑 结构。通过线性、几何非线性的计算，发现四类仿生结构均获得了良好的力学性能。文中 还模仿蜻蜒翅痣的作用，在仿生悬挑结构的自由端施加重物块，结论是用弹簧悬挂重物块 于结构上能起到很好地“减振”作用。 关键词：蜻蜒翅膀网状翅脉结构仿生翅痣悬臂结构非线性有限元
新江大学硕士学位论文2007 Abstract The bionic design of architectural construction can be categorized into two types:One is a technique-push type,in which one kind or several kinds of biologic structure are studied firstly, and then the valuable ones are extended into architectures;the other is a demand-push type,in which engineers turn to biologic structures for inspiration and illumination when encountering difficulties in designing architectural construction(component).The optimized architectural construction can be designed from discrimination,analysis,combination and further simulation of some kinds of biological structures.This paper belongs to first type.The structure of dragonfly wings is studied in the round firstly,and the bionic design of spatial cantilever structure is done according to the structure character of dragonfly wings. Based on the model data which are get from experiment observation and correlated literatures,the numerical model of dragonfly's hind wings is established by the general finite element software of ANSYS ,and Beam189 and Shell 93 element are used respectively in modeling of the veins and the membrane so as to ensure their metabolism coordination.After analyzing the planar finite element model of the dragonfly's hind wings,the conclusion is drawn that:the primary veins undertake biggish axial force and bending moment,while the subordinate vein undertakes little or don't do at all.But the subordinate vein plays an important role in improving the integral rigidity and stability of the wing structure.It is discovered by analyzing the three-dimension finite element model of dragonfly wings that the corrugations of leading edge and the arch camber of wings improve the flexural rigidity of dragonfly wings greatly.The force transmission in the three-dimension model's structure is more direct and reasonable compared to the planar model's.,its bending moment and axial force have less saltation.Furthermore;the existence of prestressing in the membrane is studied in this paper. The dragonfly wings can be regarded as a spatial cantilever structure composed of veins and membrane.According to the feature of dragonfly wings,seven different cantilever grid structure models are analyzed in this paper.Every grid structure has four types:with membrane and with corrugation,without membrane and with corrugation,with membrane and with camber,without membrane and with camber.The calculation reveals that the type of grid has a significant influence on the flexural rigidity of the cantilever grid structure under the same material consumption. In the fourth chapter,the bionic design of new-style spatial cantilever structure is discussed. Based on the structure character of dragonfly wings,four large-span spatial cantilever structures are designed in this paper.It turns out to be that all of the four types have favorable mechanic performance.. The bionics structure also simulates dragonfly's wing naevus to carry a heavy block on the overhanging open-ends.It is found that the hanging heavy blocks on the overhanging open-ends by springs eliminate the vibration effectively. Key Words:dragonfly wings;reticulated vein;bionic structure;wing naevus;spatial cantilever structure.Non-linear FEM 一iⅱ-
渐江大学硕士学位论文2007 Abstract Tl"bionic design of architectcral consU'uftion c越be catcgori2ed into two lyp格：One is a technique·push呐in which one kind or several kinds ofbiologic stmcttwe are studied firstly, and then the valuable ones are extended into architectmes；the other is a demand-push type，in which engineers turn to biologic$UucUlres for inspiration and illumination when encountering difficulties in designing architectural consm】ction(component)．The optimized architectural construction can be designed from discrimination,analysis,combination and向叭h盯simulation of some kinds of biological slnK：tI麟．This paper belongs to first type．The strec=tIltre of dragonfly wings is studied in the round觚ly’and the bionic design of spatial cantilever structure is done according to the structme cha“K：ter ofdragonfly wings． Based on the model data which am get from experiment observation and correlated fiteratures，the numerical model of dragonfly’s hind wings is established by the general finite element software of ANSYS，and Beeml89 and Shell 93 element are used respectively in modeling of the veins and the membrane so as to ensure their metabolism coordination．After analyzing the planar劢ite element model ofthe dragonfly’s hind wings．the conclusion is drawn that：the primary veins undertake biggish axial force and bending moment,while the subordinate vein undertakes little or don’t do at a11．But the subordinate vein plays an important role in improving the integral rigidity and stsbility of the wing slructore．It is discovered by analyzing the three-dimension fmite element model of dragnnny wings that the corrugations of leading edge and the arch camber ofwings improve the flexural rigidity ofdragonfly wings greatly．The force transmi豁ion in the three-dimension model’S structure is more direct and reason曲le compared to the planar model’s．， its banding moment and axial force have less saltation．Furthermore；the existence ofprestressing in the membrane is studied in this paper． The dragonfly wings can be regarded us a spatial cantilever structure composed ofveins and membrane．Accordingtothefeatureofdragonflywings，sevendifferentcantilevergrid structure models are analyzed in this paper．Every grid捌玎M血lm has four types：with membrane and witll corrugation,without membrane and with corrugation,with membrane and with camber,without membrane and with camber．The calculation reveals that the type of鲥d has a significant influence on the flerarAJ figidity of the cantilever鲥d structure under the same material consumption． in the fourth chapter,the bionic design ofnew--style spatial cantilever sm∞-ttue is discussed． Based on the structure character ofdragonfly wings,four large-span spatial cantilever struc慨 ale designed in this paper．It turns out协be that all ofthe four 1yIt3es have favorable mechanic performance．． The bionics翻nK帆also simulates dragonfly’s wing naevus to carry a heavy block oll the overhanging open-an&．It is found that the hanging heavy blocks on the overhanging open-ends by sp—ngs eliminate lhe vibration effectively． Key Words：dragonfly wings；reticulated Veh：bionic slructurs；wing naevm；spatial cantilever structure．Non-linear FEM —ii—
浙江大学预士学位论文2007 第1章绪论 第1章绪论 1.1仿生学的内涵与研究意义 简单地说，仿生学就是模仿生物的科学。 中国古代老子的核心思想之一：道法自然，意指按自然的启示和规律行事。 自古以来，人类的许多重大发明都得力于对自然界生物的模仿。“见飞蓬转而知为车”， 四千多年前，我们的祖先见到随风旋转的飞蓬草而发明了装有轮子的车。模仿生物的各种 构型，古中国人发明了象形文字；受到一种带齿草叶的启示，人类发明了“锯”；模仿动 物的地巢穴，人类的地居室由此诞生，进而发展成了现代的各类建筑。 古人的这种对自然界生物的模仿，可看做是人类“仿生”的一种萌而未发的初级形态， 由于受到了当时科学技术的限制，这类模仿层次都很低。 到了近代，特别是20世纪中期，随着科学技术的蓬勃发展，人们对生物的认识有了很 大一步地深入。自然界生物所具有精确可靠的定向、导航、探测、控制调节、能量转换、 信息处理、生物合成的卓越本领以及结构力学和流体力学等生物系统的新型机能原理，使 工程技术人员耳目为之一新。工程师们开始积极主动地带着技术设计中的难题，到生物界 中去寻找答案。生物学家们也开始有意识地为工程师《们提供有价值的研究成果。这样，就 在生物科学与工程技术两门学科的相互渗透、紧密结合的基础上，产生了一门新的边缘科 学一仿生学。 1960年9月在美国召开了第一届仿生学讨论会，大会提出“生物原型是新技术的关键” 的论题，确定了仿生学的定义和概念一仿生学就是模仿生物系统的原理来建造的技术系 统，或使人造技术系统具有类似于生物系统特征的科学。 仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。大浪淘沙，在生物界“优胜劣 汰”自然法则之下，经过亿万年的自然优化，留存下来的各种生物形态，往往是力与形式的 完美结合。 如图11，为一组螺类，它们优美的外形，让我们不得不佩服大自然的巧夺天工。 -1-
浙江大学硕士学位论文2007 第1章绪论 第1章绪论 1．1仿生学的内涵与研究意义 简单地说，仿生学就是模仿生物的科学。 中国古代老子的核心思想之一：道法自然，意指按自然的启示和规律行事。 自古以来，人类的许多重大发明都得力于对自然界生物的模仿．“见飞蓬转而知为车”， 四千多年前，我们的祖先见到随风旋转的飞蓬草而发明了装有轮子的车。模仿生物的各种 构型，古中国人发明了象形文字；受到一种带齿草叶的启示，人类发明了。锯”；模仿动 物的地巢穴，人类的地居室由此诞生，进而发展成了现代的各类建筑． 古人的这种对自然界生物的模仿，可看做是人类。仿生”的一种萌而未发的初级形态， 由于受到了当时科学技术的限制，这类模仿层次都很低。 到了近代，特别是20世纪中期，随着科学技术的蓬勃发展，人们对生物的认识有了很 大一步地深入．自然界生物所具有精确可靠的定向，导航、探测、控制调节、能量转换、 信息处理、生物合成的卓越本领以及结构力学和流体力学等生物系统的新型机能原理，使 工程技术人员耳耳为之一新。工程师们开始积极主动地带着技术设计中的难题，到生物界 中去寻找答案。生物学家们也开始有意识地为工程师们提供有价值的研究成果。这样，就 在生物科学与工程技术两门学科的相互渗透、紧密结合的基础上，产生了一门新的边缘科 学——仿生学。 1960年9月在美国召开了第一届仿生学讨论会，大会提出“生物原型是新技术的关键” 的论题，确定了仿生学的定义和概念——仿生学就是模仿生物系统的原理来建造的技术系 统，或使人造技术系统具有类似于生物系统特征的科学。 仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。大浪淘沙，在生物界“优胜劣 汰”自然法则之下，经过亿万年的自然优化，留存下来的各种生物形态，往往是力与形式的 完美结合． 如图1．1，为一组螺类，它们优美的外形。让我们不得不佩服大自然的巧夺天工． 一1一
浙江大学项士学位论文2007 第1章绪论 图11螺 它们不仅金玉其外，从结构的角度看，这样优美的螺旋型结构承受力的能力更是惊人。 图12所示，用压力测试器测试蜗牛的受压能力。一个普通的蜗牛，竞然能承受相当于自重 2218倍的压力而不被压碎。 图1.2用测试器测 试蜗牛的受压能力 随着对生物研究的深入，人们发现自然界生物所呈现出的某些卓越的功能形态令人类的 工程技术相形见绌。 如图13所示，60cm厚的砖墙有着和1cm厚的黄蜂窝壁相同的热阻值，而黄蜂窝的重量 只是前者的千分之一，并且更经济。 图13具有相同热阻值的60cm厚砖墙和1cm厚的黄蜂窝壁) 贝壳类由95%的碳酸钙和5%的蛋白质组成，未经过高温烧结，其能承受的外力是是其自 重的好几千倍。而我们的一些建筑甚至连相当于它们自重的外力也无法承受。 -2-
浙江大学硕士学位论文2007 第1章绪论 图L1 螺 它们不仅金玉其外，从结构的角度看，这样优美的螺旋型结构承受力的能力更是惊人． 图1．2所示，用压力测试器测试蜗牛的受压能力．一个普通的蜗牛，竟然能承受相当于自重 2218倍的压力而不被压碎111． 随着对生物研究的深入，人们发现自然界生物所呈现出的某些卓越的功能形态令人类的 工程技术相形见绌． 如图13所示，60cm厚的砖墙有着和lcm厚的黄蜂窝壁相同的热阻值，而黄蜂窝的重量 只是前者的千分之一，并且更经济。 图1．3具有相同熟阻值的60cm厚砖墙和lcm厚的黄蜂窝壁11I 贝壳类由95％的碳酸钙和5％的蛋白质组成，未经过高温烧结，其能承受的外力是是其自 重的好几千倍。而我们的一些建筑甚至连相当于它们自重的外力也无法承受。 一2一