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正文:
在自然界中,轻质结构形式与材料的节约使用起着非常重要的作用。轻量化
的一个方法是有目的地利用空心结构,例如从材料的角度看到的树木或者骨的胞
状结构。胞状结构也可以与实体材料结合,如作为三明治结构形式或者管的结构
形式出现。除此之外,还有很多由轻质基本元件构成的
生物材料。作为有机纤维
复合物的例子,本节中详细描述了木和骨。生物材料的另一个特征是其层级构
造。通过简化的分级结构可以看出,层级平面数量的增加会提高材料的使用效
率。另外,生物结构还具有适应载荷变化的能力,甚至还可以节约所需的后续材
料。例如在骨中,可以通过增加和去除组织,从而不断地进行结构优化。
由于技术的不断分化,在很多领域(如建筑、汽车制造、航空航天等)中,轻
量化设计和轻量化材料所起的作用变得越来越重要。好处是显而易见的:轻量化
一方面可以节省材料,另一方面可以在运动结构的动力系统中节省能源。
自古以来,自然界就广泛采用轻量化的概念了。其原因在于:一方面是由于
可以获得的基础资源极其有限,因此必须节约材料;另一方面也是因为生物有机
体需要新陈代谢能量用来进行材料合成。另外还有功能上的原因,例如:飞行的
有机体为了能适合飞行,从本质上讲就应当是轻量化的。轻量化也可以改善大的
结构形式的稳定性,这些结构往往必须承载自身的重量(如:树干)。
生物有机体往往还必须满足其他的要求。而对于人造的构件和结构来说,绝
大多数情况下这些要求都是无所谓的。不论环境的条件如何变化,生物有机体必
须在整个寿命期间内都保持功能的正常运转。生物有机体排除机体的任何损坏部
分或者对机体进行任何适应性的调整都必须是在“机体运转”的情形下完成的,
而不可能像对人造设备那样进行维护、修复或者更换替代件。为了满足这些要
求,自然界选择出了高度复杂的、可以非常好地适应典型载荷的结构形式,这些
结构形式是经过漫长的岁月选择进化而得来的,它们的组成、结构与力学性能都
能够很好地、持续地相互适应。
利用空心结构节省材料
将某个物体做得更轻的一个常用策略是去除承受最小载荷部位的材料。在桁
架建筑结构和骨架建筑结构中就采用了这种方式的设计。另外,材料自身还可以
采用泡沫状或者胞状的结构方式。除了可以节省材料和减轻重量,胞状构造的空
心结构还可以实现诸如材料运输或者新陈代谢等方面的功能。
出自http://www.bjsgyq.com/
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