Bei der Erwähnung des Ausdrucks "Seeschwamm" kann jemand ein Bild einer äußerst beliebten Zeichentrickfigur im Kopf haben. Der beste Mitarbeiter Krusty Krab hat jedoch nichts mit seinem echten Prototyp zu tun. Optisch sehen verschiedene Arten von Meeresschwämmen unterschiedlich aus: antike griechische Amphoren, komplizierte Blasinstrumente, getrocknete Äste, ausgefallene Blumen usw. Hinter dem äußeren Erscheinungsbild verbirgt sich jedoch eine unglaublich komplexe Zellstruktur, die seit einigen Jahren die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf sich zieht. Forscher der Harvard University haben kürzlich herausgefunden, dass die strukturellen Merkmale von Seeschwämmen als Inspiration für stärkere und höhere Wolkenkratzer, längere Brücken und ultraleichte Raumschiffe dienen können. Warum ist die Struktur des Seeschwamms einzigartig?Was sind seine mechanischen Eigenschaften und welche Ergebnisse zeigten Prototypen basierend auf den erhaltenen Daten? Antworten auf diese Fragen finden wir im Bericht der Wissenschaftler. Gehen.
Grundlagen der Forschung
Es gibt ungefähr 8000 Arten von Meeresschwämmen auf der Welt, aber diese Studie konzentriert sich auf die sechsstrahligen Schwämme ( Hexactinellida ). Diese Art von Schwamm ist mit etwa 600 Arten ebenfalls sehr vielfältig. Sie leben in den Meeren in Tiefen von 5 bis mehr als 6000 Metern.
Die sechsstrahligen Schwämme haben ihren Namen von der Struktur ihres Skeletts, das aus sechsstrahligen Siliziumnadeln besteht, die sich in drei zueinander senkrechten Ebenen befinden.
Die Körperform von Hexactinellida kann sehr unterschiedlich sein: röhrenförmig, Becher, klumpig, prozessiv, gelappt usw. Trotz der visuellen Unterschiede ist die Körperzusammensetzung aller Arten ziemlich ähnlich. Die Basis des Körpers ist ein einzelnes Syncytium * .
* — , .Ein Diagramm allein reicht aus, um zu verstehen, warum ein Glasschwamm in der Architektur oder im Brückenbau so nützlich sein kann.
(Hexactinellida): — ; - — ; — ; — .
In dieser Studie untersuchten die Wissenschaftler das mineralisierte Skelettsystem des Euplectella aspergillum- Schwamms (Venus-Blumenkorb), der auf vielen Längenskalen eine einzigartige hierarchische Architektur und mechanische Festigkeit aufweist.
Euplectella aspergillum (Draufsicht).
Glaskörper-Skelettelemente (Spicules) von E. aspergillum bestehen aus einem zentralen Proteinkern, der von abwechselnden konzentrischen Schichten aus konsolidierten Silica-Nanopartikeln (Siliciumdioxid, SiO 2) umgeben ist) und dünne organische Schichten. Die Spicules sind so organisiert, dass sie ein quadratisches Gitter bilden, das durch zwei sich kreuzende Sätze gepaarter diagonaler Streben verstärkt wird, wodurch ein schachbrettartiges Muster aus abwechselnden offenen und geschlossenen Zellen entsteht.
Bild Nr. 1
Bisher wurde die Auswirkung der mehrschichtigen Spicula-Architektur auf die Verlangsamung der Rissausbreitung und die Erhöhung der Biegefestigkeit untersucht, aber die potenziellen mechanischen Vorteile eines quadratischen Spicula-Gitters mit zwei Diagonalen haben nicht viel Aufmerksamkeit erhalten.
Wissenschaftler erinnern sich an offenzellige Gitter, wie sie im Skelettsystem von E. aspergillum zu finden sindwerden üblicherweise im technischen Kontext aufgrund ihres geringeren Gewichts, ihrer hohen Energieabsorption und ihrer Fähigkeit zur Steuerung der Schall- und Hitzewellenausbreitung verwendet. In der Regel hängen die Eigenschaften und die Funktionalität solcher geometrischen Formen von der Art und den Eigenschaften der Verbindung ihrer Knoten (Schnittpunkte) ab.
Beispielsweise ist eine minimale Anzahl von Knoten von sechs für zweidimensionale Gitter erforderlich, in denen die Spannung überwiegt, wodurch ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht für strukturelle Anwendungen erreicht wird. Gitter mit einfacher quadratischer Geometrie (mit einer Knotenverbindung von vier) sind jedoch ziemlich instabil, wenn der Lastvektor eine Querkomponente aufweist, sodass zur Stabilisierung eine diagonale Verbindung erforderlich ist.
In der Arbeit, die wir heute betrachten, verwendeten Wissenschaftler das Skelett von E. aspergillum als Grundlage für die Erstellung mechanisch robuster quadratischer Gitterarchitekturen. Während der Studie wurden experimentelle und numerische Analysemethoden verwendet, um die mechanischen Eigenschaften des Skelettgitters des Schwamms zu bestimmen.
Forschungsergebnisse
Um die mechanischen Vorteile der Skelettarchitektur des Schwamms besser zu verstehen, wurden die Geometrieeigenschaften mit denen der anderen drei 2D-Gitter mit quadratischer Basis verglichen (alle vier hatten das gleiche Volumen, d. H. Die gleiche Materialmenge).
In jeder dieser Strukturen bestand die quadratische Grundarchitektur aus Elementen mit einer Länge L und einem rechteckigen Querschnitt, der durch eine Tiefe H gekennzeichnet ist, die groß genug ist, um eine Verformung außerhalb der Ebene zu vermeiden.
Option A, die von einem Seeschwamm inspiriert war, bestand aus horizontalen und vertikalen (nicht diagonalen) Elementen der Dicke T A, nd = 0,1 L und zwei Sätzen paralleler Doppeldiagonalen der Dicke T A, d= 0,05 L in einem Abstand S = L / (√2 + 2) von den Knoten ( 2 ).
Bild Nr. 2
Option B basierte ebenfalls auf der Schwammarchitektur mit TB , nd = 0,1 l, enthielt jedoch nur eine Diagonale der Dicke TB , d = 0,1 l, die jede der geschlossenen Zellen kreuzte ( 2b ).
Option C (T C, nd = 0,1 l) basierte auf der Architektur, die in modernen technischen Anwendungen verwendet wurde, und hatte einen Satz gekreuzter diagonaler Träger mit der Dicke T C, d = 0,05 l in jeder Zelle ( 2c ).
Option D hatte keine diagonale Verstärkung und seine horizontalen und vertikalen Elemente waren T D, nd = 0,1 l (1 + 1 / √2) (2d ).
Zunächst wurde die mechanische Reaktion unter einachsiger Kompression entlang der vertikalen Elemente der vier oben beschriebenen Gittervarianten analysiert.
Proben, die 6 × 6-Mosaike quadratischer Zellen mit L = 1,5 cm und H = 4 cm enthielten, wurden auf einem Connex500 3D-Drucker (Stratasys) hergestellt. Eine einachsige Kompression wurde unter Verwendung einer Instron-Vorrichtung (Modell 5969) mit einer 50-kN-Wägezelle ( 2e ) durchgeführt.
In der Grafik 2fzeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurven, aus denen zwei Hauptschlussfolgerungen gezogen werden können. Erstens hatten alle diagonalen Bewehrungskonstruktionen (Optionen A, B und C) eine nahezu identische anfängliche elastische Reaktion, was zeigt, dass unterschiedliche diagonale Bewehrungskonstruktionen die anfängliche Gesamtsteifigkeit der Struktur nicht beeinflussten. Option D zeigte erwartungsgemäß eine höhere Anfangssteifigkeit aufgrund der dickeren vertikalen und horizontalen Elemente.
Zweitens zeigen alle Kurven eine deutliche maximale Tragfähigkeit, wobei Struktur A (schwamminspirierte Variante) die höchste Last aufnimmt.
Da jede maximale Belastung dem Einsetzen des Knickens entsprach, kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass Design A die höchste kritische Knickspannung aller betrachteten Knickoptionen aufwies.
Zusätzlich wurde festgestellt, dass in allen drei Strukturen mit Diagonalen die Dynamik nach dem Stabilitätsverlust zu einer homogenen Transformation der Struktur in der gesamten Probe führte ( 2e ).
In Variante D führte der kritische Modus jedoch zu einer viel längeren Wellenlänge als die Größe der quadratischen Zelle, was nach Verlust der Stabilität zur Bildung einer Form führte, die qualitativ der eines komprimierten gekrümmten Strahls qualitativ ähnlich ist.
Um zu verstehen, wie das schwamminspirierte Gitterdesign zu signifikanten mechanischen Verbesserungen führte, wurde eine Finite-Elemente-Simulation mit der ABAQUS / Standard-Software durchgeführt.
Zur Modellierung wurde die Geometrie mit Timoshenko-Balkenelementen (Elementtyp ABAQUS B22) konstruiert und die Materialreaktion mit einem inkompressiblen Materialmodell mit einem Schermodul μ = 14,5 MPa aufgezeichnet.
Der Modellierungsprozess bestand aus drei Phasen:
- Knickanalyse;
- dann wurde eine Störung auf die Gitterknoten in Form des niedrigsten Knickmodus angewendet;
- statische nichtlineare Analyse zur Bewertung nichtlinearer Reaktionen bei großen Verformungen.
Grafik 2f zeigt eine sehr enge Übereinstimmung zwischen den numerischen und experimentellen Ergebnissen.
Ferner wurde das Finite-Elemente-Modell absichtlich erweitert, um den Einfluss der Richtung der Last zu untersuchen. Um die Rechenkosten zu senken und Randeffekte zu eliminieren, wurde die Periodizität der Strukturen verwendet und das Verhalten repräsentativer Volumenelemente (RVE) mit geeigneten periodischen Randbedingungen untersucht.
Bild Nr. 3
Bei 3azeigt die Änderung der effektiven strukturellen Steifigkeit (E) in Abhängigkeit vom Lastwinkel (θ). Es wurde festgestellt, dass die Steifheit aller Strukturen, die eine diagonale Verstärkung enthielten, für jeden Lastwinkel praktisch gleich war. Diese Tatsache bestätigt weiter, dass die Steifheit der Struktur hauptsächlich durch die Materialmenge bestimmt wurde, die entlang der Richtung der Last verteilt ist.
Infolgedessen zeigte die Struktur D, bei der das gesamte Material als nicht diagonale Elemente klassifiziert wurde, die höchste Steifheit bei & thgr; = 0 °, hatte jedoch eine vernachlässigbare Tragfähigkeit bei & thgr; = 45 °.
Ferner wurde der Einfluss von θ auf die Knickeigenschaften der Strukturen A - D untersucht. Effektive kritische Biegespannung (̅σ cr) von Design A war für alle Werte von θ ( 3b ) höher als das von anderen diagonalen Verstärkungsdesigns (Designs B und C ). Die Konstruktion D übertrifft die Konstruktion A im Intervall 27 ° <θ <63 °, vorausgesetzt, diese Konstruktionen sind unendlich. Angesichts des globalen Knickverhaltens der Struktur D wurden solche Eigenschaften jedoch weitgehend durch Randeffekte beeinflusst, und die kritische Knickspannung wurde signifikant reduziert, wenn eine Struktur mit einer gut dimensionierten 10 × 10-RVE ( 3d ) betrachtet wurde. Darüber hinaus behielt die Geometrie der Struktur A ihre Robustheit auch nach Modifikationen des Gitters bei, indem unterschiedliche Störungsgrade eingeführt wurden, was mit den im Skelett des Seeschwamms beobachteten Merkmalen übereinstimmt.
Die obige Simulation und die tatsächlichen Testergebnisse zeigen deutlich, dass die auf dem Schwammskelett basierende Entwurfsoption A die Konkurrenz deutlich übertrifft (Optionen B, C und D). Dieser Test war jedoch noch nicht beendet, da sich die Wissenschaftler fragten, ob es möglich sei, eine Struktur zu schaffen, die noch besser wäre.
Zu diesem Zweck wurde ein Optimierungsproblem formuliert, das darauf abzielt, die Anzahl (N) der diagonalen Elemente eines quadratischen Gitters zu bestimmen, wodurch eine höhere kritische Biegespannung erreicht werden kann. Es war auch notwendig, den Abstand zwischen diesen Elementen und den Knoten der Gitterverbindungen S i (wobei i = 1, 2, ..., N) sowie das Verhältnis von diagonalen und nicht diagonalen Elementen λ = V nd / V d (V) zu bestimmennd und V d sind die Volumina von nicht diagonalen bzw. diagonalen Elementen. Alle diese Variablen beeinflussen auf die eine oder andere Weise die Biegespannungsindikatoren.
Während der Tests wurden 3 × 3 RVE-Strukturen einer einachsigen Kompression parallel zu den nicht diagonalen Elementen ausgesetzt (θ = 0 °). Die Zielfunktion Z = ̅σ cr wurde mithilfe der Finite-Elemente-Modellierung in Verbindung mit einer Python-Implementierung des Covariance Matrix Adaptation Evolution-Algorithmus (CMA-ES) maximiert. Für jeden von der CMA-ES definierten Eingabedatensatz wurde eine Finite-Elemente-Knickanalyse durchgeführt, um ̅σ cr zu erhalten , das anschließend zur Schätzung der Zielfunktion Z verwendet wurde.
Es wurden sieben verschiedene Optimierungen durchgeführt, von denen jede eine feste ganzzahlige Anzahl von diagonalen Elementen N im Bereich von eins bis sieben berücksichtigte (N = ℤ ϵ [1, 7]). Um die Symmetrie des Systems sicherzustellen, wurden die folgenden Regeln berücksichtigt: S 2i - 1 = S 2i (i = 1, 2, ..., N / 2), wenn N eine gerade Zahl ist; S 1 = 0 und S 2i - 1 = S 2i (i = 2, 3, ..., (N - 1) / 2), wenn N ungerade ist.
Bild №4
Grafik 4a zeigt den höchsten Wert ̅σ cr , ein bestimmtes Modell CMA-ES für alle als N betrachteten Werte. Es wurde festgestellt, dass der höchste Wert ̅σ crwar nur 9,55% höher als im Fall des zuvor getesteten Designs A. In diesem Test wurde das simulierte Design auch von einem Seeschwamm inspiriert: Zwei Diagonalen befanden sich in einem Abstand von S = 0,1800 L von den Knoten, und die Volumenverteilung war so, dass λ = 0,6778). Die Simulationsergebnisse wurden experimentell erfolgreich bestätigt ( 4b ).
Wissenschaftler stellen fest, dass die Skelettstruktur des Meeresschwamms E. aspergillum eine großartige Inspiration für mehr als nur Gitterarchitekturen ist (Konstruktion A). Um dies zu demonstrieren, zeigt Bild 5a ein dünnes Mosaik mit 11 × 2 Quadratmaschen, das einer Dreipunkt-Biegespannung ausgesetzt ist.
Bild Nr. 5
Als Experimente ( 5b) und Finite-Elemente-Simulationen zeigten, dass das von Schwämmen inspirierte Design steifer war und 15% höhere Lasten über einen größeren Bereich von angewendeten Verschiebungen bewältigen konnte.
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.
Epilog
Die Natur war, ist und bleibt eine der wichtigsten Inspirationsquellen für die wissenschaftliche Forschung. In dieser Arbeit wurde diese Aussage am Beispiel von Meeresschwämmen der Art Euplectella aspergillum bestätigt, deren Skelettstruktur erstaunliche Eigenschaften aufweist. Das Hauptmerkmal ist, dass diese biologische Struktur erheblichen Belastungen standhalten kann, während eine minimale Menge an Material an ihrer Konstruktion beteiligt ist. Mit anderen Worten, Seeschwämme sind ziemlich porös (grob gesagt), aber sehr haltbar.
Die Studie hat gezeigt, dass die Architektur des Skeletts eines Seeschwamms in einer Vielzahl von Bereichen menschlicher Aktivität äußerst nützlich sein kann. Die Einführung der Schwammarchitektur im Bauwesen ermöglicht die Schaffung höherer Wolkenkratzer und längerer Brücken, während die optimale Materialmenge verbraucht wird und die Festigkeit der fertigen Strukturen nicht beeinträchtigt wird. Diese Technik kann auch im Flugzeugbau, im Schiffbau und sogar in der Astronautik eingesetzt werden, da durch die Minimierung der Schiffsmasse der Kraftstoffverbrauch minimiert wird.
Freitag off-top:
Euplectella aspergillum ( , EV Nautilus 2014 ).
Euplectella aspergillum ( , EV Nautilus 2014 ).
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie ein schönes Wochenende, Jungs! :) :)
Ein bisschen Werbung
Vielen Dank für Ihren Aufenthalt bei uns. Gefällt dir unser Artikel? Möchten Sie weitere interessante Inhalte sehen? Unterstützen Sie uns, indem Sie eine Bestellung aufgeben oder Freunden Cloud-VPS für Entwickler ab 4,99 US-Dollar empfehlen , ein einzigartiges Analogon von Einstiegsservern, die wir für Sie erfunden haben: Die ganze Wahrheit über VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Kerne) 10 GB DDR4 480 GB SSD 1 Gbit / s ab 19 $ oder wie teilt man den Server richtig? (Optionen verfügbar mit RAID1 und RAID10, bis zu 24 Kernen und bis zu 40 GB DDR4).
Ist Dell R730xd 2x im Equinix Tier IV-Rechenzentrum in Amsterdam billiger? Nur wir haben 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2,6 GHz 14C 64 GB DDR4 4 x 960 GB SSD 1 Gbit / s 100 TV von 199 US-Dollar in den Niederlanden!Dell R420 - 2x E5-2430 2,2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbit / s 100 TB - Ab 99 US-Dollar! Lesen Sie, wie Sie die Infrastruktur von bldg aufbauen. Klasse mit Dell R730xd E5-2650 v4 Servern zum Preis von 9000 Euro für einen Cent?