根据北海道大学佐藤太弘副教授的研究小组的研究,竹纤维的密度分布是为了使弯曲强度最大化,这与理论上获得的理想纤维分布几乎相同。我发现。作为一种新的仿生技术,它有望引领先进材料的发展。

 竹子是一种既轻便又耐用的天然功能材料。原因是木质部分中嵌入了许多中空部分和许多与钢具有相同刚度的纤维。另一方面,观察竹子的横截面,可以看出嵌入的纤维分布并不均匀,密度从横截面的内侧到外侧逐渐增加。

 因此,研究团队利用结构力学理论分析了横截面纤维分布与整个躯干抗弯强度之间的关系。将其与从实际竹子中获得的纤维分布的测量数据进行了比较。

 作为理论分析的结果,发现使弯曲刚度最大化的纤维分布根据穿透横截面的纤维总数而不同。当纤维数量较少时,竹子的弯曲刚度通过按线性函数从内到外增加纤维密度而最大化。发现当有许多纤维时,根据二次函数通过从内到外增加纤维密度来最大化抗弯刚度。

 另一方面,在野竹中,根部和尖端的横截面纤维分布不同,根部纤维多,尖端附近纤维少。然后,发现测量数据的纤维分布从竹根到竹尖由二次函数形式变为线性函数形式,与理论一致。

 从这个结果可以看出,一般中空圆柱体的抗弯刚度最大化的最佳倾斜分布与竹截面的纤维分布非常相似,而且竹子是性能最高的功能梯度材料。据说它将导致圆柱形结构的设计和开发。

论文信息:[PLOS ONE] 功能梯度空心圆柱体的竹启发优化设计

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