Simulation of branched biological structures for bionic inspired fibre-reinforced components

• Autorzy: Hufenbach W. A. , Gude M. , Cichy F. , Danczak M. , Neinhuis Ch. , Schwager H.

Warianty tytułu

PL

Symulacja rozgałęzionych struktur biologicznych w inspirowanych naturą komponentach włóknistych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The load adapted design of complex lightweight bar frame works with nodes and branched profiles is a significant challenge from both the structural mechanical and the manufacturing point of view. The search for novel material efficient solutions increasingly leads to the use of fibre-reinforced composites as they exhibit good specific material properties and a high degree of design flexibility. In order to achieve an optimum design of thin-walled, branched, hollow composite structures, a bionic approach following the top-down principal is pursued and simulations of various Y- and T-shaped models are carried out. The typical characteristics of the ramification areas of selected plant structures are analysed using micro-mirror fringe projection and micro-computed tomography. The scientific findings of plant morphology gained by these analyses are transferred into FE-models for structural analyses and parameter studies. The anisotropy of fibre material, the morphological characteristics of the examined cacti and the technological restrictions of the braiding process are considered in the design process of simulation models. The results show a significant increase of stiffness of thin walled branched models with bioinspired design features compared to models constructed according to the state-of-the-art technologies.

PL

Bardzo duże wyzwanie, zarówno z perspektywy strukturalno-mechanicznej, jak również produkcyjnej stanowi projektowanie dostosowanych do obciążenia, złożonych, a zarazem lekkich konstukcji prętowych (ramowych) wraz z więzami i rozgałęzieniami z lekkich profili. Poszukiwanie wydajnych rozwiązań materiałowych prowadzi do wykorzystania materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknami, gdyż oferują dobre właściwości materiałowe oraz dużą swobodę projektowania. W celu uzyskania optymalnej konstrukcji cienkościennych rozgałęzień kompozytowych zostały przeprowadzone symulacje numeryczne profili w kształcie litery T oraz Y z wykorzystaniem metody elementów skończonych. W pierwszej kolejności przeprowadzono optyczną digitalizację 3D charakterystycznych obszarów rozgałęzień wybranych roślin oraz analizę przy pomocy tomografii komputerowej. Na opracowanie modeli numerycznych z uwzględnieniem anizotropii zastosowanego materiału pozwoliły otrzymane wyniki analiz morfologii roślin, a także uwzględnienie specyfiki wykorzystanej metody wytwarzania, czyli wyplatania. Wyniki pierwszych symulacji pokazują znaczącą poprawę sztywności cienkościennych modeli rozgałęzień bazujących na konstrukcjach inspirowanych naturą w porównaniu z wynikami symulacji konstrukcji tradycyjnych.

Słowa kluczowe

EN

bionically inspired composites; lightweight; branching fibre-reinforced structures; braiding technology; thin-walled hollow composites

PL

kompozyty inspirowane naturą; konstrukcje lekkie; rozgałęzienia wzmacniane włóknami; technologia wypalania; kompozyty cienkościenne

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 4
• Strony: 304--309
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Hufenbach W. A.

autor

Gude M.

autor

Cichy F.

autor

Danczak M.

autor

Neinhuis Ch.

autor

Schwager H.

• TU Dresden, Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK), Germany,

Bibliografia

• [1] Hufenbach W., Textile Verbundbauweisen und Fertigungstechnologien für Leichtbaustrukturen des Maschinen- und Fahrzeugbaus, Sächsisches Druck- und Verlaghaus, Dresden 2007.
• [2] Ehrenstein G.W., Faserverbund-Kunststoffe, Werkstoffe, Verarbeitung, Eigenschaften, Hanser Fachbuchverlag, Muenchen 2006.
• [3] Hufenbach W., Adam F., Hybride Werkstoffe und Strukturen als Basis für einen funktionsintegrativen Leichtbau. Tagungsband der 6. Sächsischen Fachtagung Umformtechnik, Dresden, 02.-03. Dezember 1999, 102-115.
• [4] Hufenbach W., Gude M., Ebert Ch., Hybrid 3D-textile reinforced composites with tailored property profiles for crash and impact applications, Composites Science and Technology 2009, 69, 9, 1422-1426.
• [5] Speck T., Speck O., Process Sequences in Biomimetic research. Design and Nature IV, ed. C.A. Brebbia, WIT Press, Southampton 2008, 3-11.
• [6] Anderson E.F., The Cactus Family. Timber Press, Portland, USA 2001, 183.
• [7] Zappi D.C., Pilosocereus (Cactaceae) - The Genus in Brazil, DH Books, Milborne Port, GB, 1994, 55.
• [8] Hufenbach W., Gude M., Cichy F., Ullrich H.-J., Chlebus E., Roczniak P., Boratyński T., Analysis of biological branched structures for bionically inspired fibre-reinforced components, Tagungsband, E-MRS Fall Meeting 2010, Warsaw 13.-17. Sept. 2010 (in press, pre-reviewed).
• [9] Niklas K.J., Molina-Freaner F., Tinoco-Ojanguren C., Biomechanics of the columnar cactus Pachycereus pringlei, Am. J. Botany 1999, 86, 767.
• [10] Niklas K.J., Molina-Freaner F., Tinoco-Ojanguren C., Paolillo Jr. D.J., Wood biomechanics and anatomy of Pachycereus pringlei, Am. J. Bot. 2000, 87, 469.
• [11] Schwager H., Haushahn T., Neinhuis C., Speck T., Masselter T., Principles of branching morphology and anatomy in arborescent monocotyledons and columnar cacti as concept generators for branched fibre-reinforced composites, Advanced Biomaterials (in press).
• [12] Niemz P., Caduff D., Untersuchungen zur Bestimmung der Poissonschen Konstanten an Fichtenholz, Holz Roh. Werkst. 2008, 66, 1.