基于竹子生物特征的维管束结构塔筒力学特性研究_郑玉明.pdf

文章编号：-（）-基于竹子生物特征的维管束结构塔筒力学特性研究郑玉明*，何正文（甘肃省庄浪县教育局，甘肃 庄浪 ；兰州理工大学 机电工程学院，甘肃 兰州 ）摘要：竹子具备较强的生存能力，这与其自身独特的生物特征紧密相关从宏观角度对竹子结构进行研究可以发现，沿竹身非均匀分布的竹节是竹子最为显著的结构特征，竹节可提高竹材轴向和径向的抗压能力进一步从微观角度对竹节维管束结构进行研究可以发现，竹节维管束是竹节的主要承载结构考虑到竹子和风力机塔筒的相似性，将竹节维管束生物特征应用至风力机塔筒结构设计中，进行仿竹节维管束塔筒设计，并在极端工况下对仿竹节维管束塔筒和原塔筒进行静力学对比分析结果表明，仿竹节维管束塔筒相比原塔筒最大响应应力减少了 ，最大响应位移减少了 ，仿竹节维管束结构使仿竹节维管束塔筒的强度和刚度得到了提升研究结果可为竹节微观生物结构在实际工程应用方面提供理论依据关键词：竹节；仿竹节维管束结构；风力机塔筒中图分类号：文献标志码：S t u d yo nm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f v a s c u l a rb u n d l e t o w e rb a s e do nb a m b o ob i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s -，-（，；，）A b s t r a c t：，q ，-，-，-，-，-K e yw o r d s：；-；竹子作为分布广泛的禾本科常绿植物，是自然界最常见的生物竹节是竹子最为显著的结构，位于竹子每段竹竿之间的连接处竹节的存在使得竹子韧性增强，能够更好地保持自身形状，有效缓解风载收稿日期：-通讯作者：郑玉明（-），男，甘肃庄浪人，高级教师 ：q q 荷的冲击竹子在自然界中主要承受树冠重力和风载荷，而竹子通过竹身弯曲变形有效抵消载荷影响同时，在恶劣的环境下竹子具有优良的稳定性竹子的密度为 ，与钢材相比，仅是钢材密度的，比刚度却是钢材的 倍此外，竹子细长比可达 ，抗弯强度是钢材的 倍通过实验可知，竹子横纹断裂韧性第 卷第期 年月兰州理工大学学报 与铝合金相当，是杉树的 倍，垂直纹理方向横纹具备较强的抵抗能力，其平均值为 竹子的弯曲延展性表现优良，在生长过程中风吹、雪压使得竹身弯曲至触地，但很少产生断裂，甚至能恢复原状同时，竹子具有柔韧性好、比强度高等优点，在抗蠕变和抗震性方面表现优异，在恶劣环境下竹子具备较好的耐腐蚀性和抗疲劳性研究表明，竹子的力学性能主要由维管束结构保证，维管束的竹纤维束强度高、模量高、密度高，发挥着主要承载作用部分学者将竹子维管束纤维材料作为天然增强复合材料，与单向连续玻璃纤维增强聚合物进行同等条件下拉伸试验，结果表明，竹子维管束纤维材料的拉伸强度比玻璃纤维增强聚合物高 考虑到竹子纤维具备良好的力学性能，有的学者参考竹子维管束结构，对管状薄壁结构进行仿生设计，将维管束作为薄壁管结构的增强材料，使薄壁管轴向强度得到改善基于竹子的微观生物结构，通过仿生学原理，设计出带有维管束结构的仿生竹管，该仿生竹管较原管能量吸收比提高了 ，使得仿生竹管具有较高的强度无独有偶，有的学者将竹子维管束结构作为增强相，运用仿生学原理将其添加至薄壁结构中，通过有限元数值分析表明，仿生薄壁结构较原薄壁结构纵向和横向承载能力提高了 鉴于此，本文以竹子为研究对象，通过研究竹结构，提取竹节维管束生物特征由于风力机塔筒服役环境与竹子的生长环境相似，所以将竹节维管束生物特征应用至风力机塔筒结构设计，并对仿竹节维管束塔筒与原塔筒进行力学对比分析，进而验证仿竹节维管束塔筒的优越性，为竹节微观生物结构的实际工程应用提供一定的借鉴 竹子结构研究 竹子宏观结构竹子具有良好的力学性能，为了有效地利用竹子结构特点，对竹子的构造进行研究竹子宏观外形如图所示可以看出，竹节沿竹身方向非均匀分布，竹节间距从竹子根部至顶端呈现先密集后稀疏再密集的趋势竹节可视为竹子结构的加强筋，可提高竹子整体强度和稳定性同时，竹节的存在使得竹子轴向和径向的抗压能力均有所提高 以竹身为研究对象，对树冠重力和风载荷作用下竹子的变形情况进行分析，结果如图所示其中，图 竹子外形图F i g B a m b o o s h a p ed r a w i n g图 竹身受载变形示意图F i g D i a g r a mo f t h ed e f o r m a t i o no f b a m b o ou n d e r l o a d图 为竹身在树冠重力和风载荷下受力简图，图 为竹身弯曲变形简图当竹子受力弯曲变形时，竹身内侧弯曲变形部分受压应力，而竹身外侧弯曲变形部分受拉应力同时，弯曲部分截面形状发生变化，由圆形变为椭圆形，由于竹节连接竹竿，所以竹节处弯曲变形显著竹竿材料伸缩性较差，当竹子在树冠重力和风载荷耦合作用下出现弯曲变形时，竹节截面将发生明显形变因此，竹节截面形变能力和竹节分布规律很大程度上影响着竹子抵抗弯曲变形的能力，有必要对竹节的微观生物特征进行研究 竹子微观生物结构竹节主要由维管束结构和薄壁组织构成，在竹壁外侧附近维管束密度较大，在竹壁内侧附近维管束密度较小竹节维管束是典型的功能梯度材料，竹子生长符合力学规律特点，主要归结于其根部较粗、顶部较细，且在竹竿连接处分布有竹节竹节处力学性能参数 如表所列，竹节维管束显微结构 如图所示可以看出：维管束结构作为竹节承受载荷的主表 竹节处力学性能参数T a b M e c h a n i c a l p r o p e r t yp a r a m e t e r s a t b a m b o on o d e密度（）抗弯强度 顺纹抗剪强度 抗弯弹性模量 抗拉强度 兰州理工大学学报 第 卷图 竹节维管束显微结构F i g M i c r o s t r u c t u r e o f t h e v a s c u l a rb u n d l e o f t h eb a m b o on o d e要组织，具有较强的抗弯强度和抗弯弹性模量；从竹节外壁到竹节内壁，维管束的分布由密集到稀疏维管束与维管束之间存在一定的间隙，维管束结构的主要作用是为竹节处载荷提供传递路径，减少载荷对竹子的影响，提高竹子的整体承载能力 竹子和风力机塔筒 建立相似度判断矩阵竹子的生物结构特点使其在风载荷环境下具有优良的稳定性风力机塔筒通常在随机变向变载荷和强阵风瞬时冲击下工作，并且其顶端安装有大质量、大刚度的旋转风轮和机舱本文通过仿生设计将竹子的结构特点赋予风力机塔筒，使其具有良好的机械性能为将竹节维管束生物特征应用至风力机塔筒结构设计，需对二者的相似度进行计算，若相似度接近于，则可将竹子的维管束生物特征应用至风力机塔筒结构设计竹子与风力机塔筒的评价因素集为U，i，n其中，i（，n）判断矩阵M为M（i j）nn n nnnn n（）式中：i j（j，n）为因素i与因素j重要性比较结果；n为竹子与风力机塔筒的共同相似特征，亦为判断矩阵阶数为得到判断矩阵M，需要利用一致性指标进行检验一致性指标计算公式为C I nn（）式中：C I为一致性指标；为判断矩阵最大特征值；n为判断矩阵阶数则随机一致性比率为C RC IR I（）式中：R I为随机一致性指标均值，本文R I取 ；C R为随机一致性比率，通常要求C R ，此时可以认为判断矩阵具有满意的一致性 竹子与风力机塔筒的相似性结构仿生的基础是相似，竹子与风力机塔筒的相似程度可用相似度Q来度量，即Qq（u）q（u）nq（un）ni iq（ui）（）式中：Q数值大小反映相似程度，Q；i为权重系数；q（u）为相似元相似度，即q（ui）nkmnni djri j（）式中：k、m为竹子、风力机塔筒相似特征数量；dj为特征权数；ri j为特征比例系数，即ri j Uj（Ai），Uj（Bi）Uj（Ai），Uj（Bi）（）式中：ri j，ri j越大越趋向于，表示竹子与风力机塔筒特征相差越小，二者相似度越 高；Uj（Ai）、Uj（Bi）分别为模糊相似系统竹子、风力机塔筒在某特征下的特征值根据层次分析法，建立竹子、风力机塔筒的评价因素集U 结构，载荷，功能，对竹子、风力机塔筒的结构、载荷、功能进行定量研究，主要包括：）风力机塔筒是高耸薄壁结构，由段锥形钢筒通过法兰连接而成，由此可知竹子与风力机塔筒在结构方面存在相似性；）风力机塔筒承受的载荷主要包括风力机在运转过程中风轮产生的推力、风轮和机舱的重力，同时还有自身重力和表面承受的风荷载；）风力机塔筒是风力发电机组的主要承载部件，将风力发电机组支撑至捕获足够风能的高度，承载能力直接影响到风力发电机组的发电效能，虽然受到风轮推力、机舱重力和外界无规律风载荷，但是风力机塔筒通过自身位移响应可抵消外界载荷的影响通过对竹子与风力机塔筒在结构、载荷、功能方面的相似度定性分析，能够判断出二者的相似度较高，因而可以将竹节维管束特征应用至风力机塔筒结构设计为进一步验证竹子与风力机塔筒的相似度，采用判断矩阵对相似度进行定量分析根据式（）建立二者的判断矩阵M为第期郑玉明等：基于竹子生物特征的维管束结构塔筒力学特性研究 M （）通过式（）和式（）可知矩阵M随机一致性指标C R ，小于 ，符合一致性要求权重系数 ，相似元相似度q（u），相似度Q Q值越接近，表明二者相似度越高因此，竹子与风力机塔筒存在着较高的相似度，本文将竹节维管束特征应用至风力机塔筒结构设计是较为合理的 仿竹节维管束塔筒 风力机塔筒仿竹节维管束设计本文以某型号风力机塔筒作为仿竹节维管束应用对象，该风力机轮毂中心距地面 风力机塔筒材料为 ，总重为 塔身由段锥形筒组成，尺寸如表所列，锥形筒之间由法兰和高强度螺栓连接风力机塔筒底部外径为 ，底部壁厚为，顶部外径为 ，顶部壁厚为 表 塔筒尺寸T a b T o w e rd i m e n s i o n s段数段段段段长度 为便于将竹节维管束特征应用至风力机塔筒结构设计，可将竹节维管束的结构进行简化图 为竹节维管束结构横截面，可以看出，维管束结构为中空厚壁的孔结构在对竹节维管束结构进行简化时，可将维管束结构视为中空孔，简化成如图 所示的结构形式按照竹节维管束的分布规律，将塔筒维管束结构设计为密集区、次密集区、稀疏区，所占数量比为 按照竹节从外到内的密度比确定每个区域维管束间的厚度 根据竹节维管束面积径向占比沿竹子轴向方向的分布规律，确定维管束在塔筒第、段径向占比为，在塔筒第、段径向占比为 维管束结构位于每段塔筒锥形筒底部法兰上方，具体位置如图所示图 仿竹节维管束结构F i g S t r u c t u r e o f t h e v a s c u l a r b u n d l e o f t h e n o d e s o f t h eb i o n i cb a m b o o图 塔筒维管束位置F i g T o w e r t u b e v a s c u l a rb u n d l e l o c a t i o n 仿竹节维管束塔筒和原塔筒静力分析对仿竹节维管束塔筒和原塔筒分别进行极端工况下静态响应分析首先建立仿竹节维管束塔筒和原塔筒的三维实体模型，其次将二者实体模型导入有限元软件，最后得到原塔筒和仿竹节维管束塔筒的静态响应结果将二者静态响应结果进行对比，以此证明仿竹节维管束塔筒具有优越性基于塔顶坐标系，本文选取种极端工况载荷 对仿竹节维管束塔筒进行静力特性分析，分别为极 端 湍 流 模 型（）、极 端 风 切 变 模 型（）、极端风速模型（）种极端工况载荷如表所列采用有限元数值分析法分别计算仿竹节维管束表 极限载荷分布T a b E x t r e m e l o a dd i s t r i b u t i o n参数Fx Fy Fz Mx（）My（）Mz（）兰州理工大学学报 第 卷塔筒和原塔筒模型在表所列的极端工况下最大应力和最大应变，通过对比仿竹节维管束塔筒和原塔筒在同等工况下静态响应特性，证明在强度和刚度方面仿竹节维管束塔筒优于原塔筒风力机塔筒采用变截面形式，各截面的抗弯截面模量随塔筒高度的变化而变化因此，筒顶端的位移挠度f为fhMy（x）M（x）E Iy（x）x（）式中：My（x）为所有外部载荷对塔筒塔顶轴向距离x的任一截面产生的弯矩，；M（x）为作用在塔顶的单位径向力对塔筒塔顶轴向距离x的任一截面产生的弯矩，；E为塔筒材料的弹性模量，；Iy（x）为塔筒塔顶轴向距离x处截面的惯性矩，；h为塔筒高度，将仿竹节维管束塔筒导入有限元软件，采用以六面体为主导的机械结构划分方式进行网格划分，网格尺寸为 ，生成网格单元数为 个，节点数为 个首先以均布力和力矩的形式将表所列载荷施加于仿竹节维管束塔筒顶部截面，其次将叶轮和机舱简化为集中质量点并耦合至仿竹节维管束塔筒顶端，最后在仿竹节维管束塔筒底部施加固定约束借助有限元软件平台中静力学分析模块，可得到仿竹节维管束塔筒的最大应力响应原塔筒采用与仿竹节维管束塔筒相同的约束，可得到原塔筒的最大应力响应二者的对比分析如图所示图 塔筒最大应力响应F i g M a x i m u ms t r e s s r e s p o n s e o f t h e t o w e r可以看出：工况下仿竹节维管束塔筒最大应力减小得最明显，此时仿竹节维管束塔筒和原塔筒的最大应力分别为 和 ，相比原塔筒仿竹节维管束塔筒的最大应力减少了 ；工况下仿竹节维管束塔筒和原塔筒的最大应力分别为 和 ；工况下仿竹节维管束塔筒和原塔筒的最大应力分别为 和 由此说明，极端工况下仿竹节维管束塔筒的最大应力均小于原塔筒的，这是由仿竹节维管束结构的特点所决定在同等条件下最大应力越小结构越安全，因而仿竹节维管束塔筒更安全仿竹节维管束塔筒和原塔筒的最大位移如图所示可以看出：工况下仿竹节维管束塔筒和原塔筒的最大位移分别为 和 ；工况下仿竹节维管束塔筒和原塔筒的最大位移分别为 和 ；工况下仿竹节维管束塔筒的最大位移减小得最明显，此时仿竹节维管束塔筒和原塔筒的最大位移分别为 和 ，相比原塔筒仿竹节维管束塔筒的最大位移减少了 由此说明，极端工况下仿竹节维管束塔筒的最大位移均小于原塔筒的，这是由仿竹节维管束结构的特点所决定在同等条件下最大位移越小结构越稳定，因而仿竹节维管束塔筒更稳定因此，仿竹节维管束结构有助于提升仿竹节维管束塔筒的刚度图 塔筒最大位移响应F i g T o w e r sm a x i m u md i s p l a c e m e n t r e s p o n s e 结语）分析竹子的结构特点发现，沿竹身方向非均匀分布的竹节可以使得竹子稳定性和强度得到提升；进一步对竹节微观结构进行分析发现，竹节维管束是主要的承载结构）利用相似度分析方法，对竹子和风力机塔筒的相似度进行求解；鉴于二者相似度较高，可将竹节维管束结构引入风力机塔筒，设计仿竹节维管束塔筒）在极端工况下对仿竹节维管束塔筒和原塔筒进行静力学分析，仿竹节维管束塔筒的最大应力是原塔筒的 ，最大位移是原塔筒的 由此说明，竹节维管束结构可以有效提升仿竹节维第期郑玉明等：基于竹子生物特征的维管束结构塔筒力学特性研究 管束塔筒的强度和刚度，使得仿竹节维管束塔筒更加安全和稳定参考文献：王戈，韩善宇，陈复明，等竹材振动阻尼性能及其在竹质复合材料中的应用 林业科学，（）：-徐玉凯，祝海林，何宜玖，等基于竹子结构的装载机动臂仿生轻量化设计 常州大学学报（自然科学版），（）：-杨绍智竹原纤维产业化趋势前瞻 财富时代，（）：-高福聚，赵晶竹子对高层建筑结构设计的启示 山西建筑，（）：-张志，宋波，祁俊峰，等仿竹子结构八重桁架点阵结构设计与增材制造 华中科技大学学报（自然科学版），（）：-尚新龙，毛腾飞，管鑫，等天然竹筒内竹纤维的分布规律研究 玻璃钢 复合材料，（）：-党江涛，郑志银单向连续竹纤维增强聚合物的拉伸性能 力学季刊，（）：-马建峰，陈五一，赵岭，等基于竹子微观结构的柱状结构仿生设计 机械设计，（）：-，e ta l -，：-，e t a l -，（）：-马建峰，陈五一，赵岭基于竹子微观结构的柱状结构仿生设计 机械设计，（）：-赵鑫铭竹材在浙江地区乡建中的应用研究 杭州：杭州师范大学，安晓静，昊王，李万菊，等毛竹纤维鞘的拉伸力学性能南京林业大学学报（自然科学版），（）：-，e ta l -，（）：-张燎军风力发电机组塔架与基础 北京：中国水利水电出版社出版，：-兰州理工大学学报 第 卷