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光学物理学

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分形结构超轻可能会承受重载荷

超轻量级

欧洲的一组研究人员表明,如果使用分形图案进行设计,可以大大降低大型结构的密度。研究人员找到了一种计算最优值的方法“hierarchal structure”由某种材料制成,可以承受给定的负载。他们声称,使用这种技术可以帮助构建高效的承重结构,这些结构可以用于太阳帆,起重机或其他轻型但强度较高的结构。

分形是在所有长度尺度上都是自相似的对象或结构。分形模式在自然界中可见–从类似于整个植物的单片蕨叶到云朵,雪花,血管和花椰菜的所有事物都显示出分形图案。引起这一最新成果的一个特殊例子是小梁骨– the “spongy”在人体关节附近发现的骨头。该骨骼具有海绵状的纤维网络,该网络具有伪分形图案,因此该图案在几个尺度上几乎是自相似的。这使骨骼坚固但轻巧,并且能够提供必要的强度和刚度。

建立并重复

分层模式–相同的基础结构以不同的长度比例重复使用–已经在建筑中用于建造许多大型结构。埃菲尔铁塔或大型起重机就是这类结构的很好例子,但这种分形图案却在建筑中被广泛使用。 特别指定 研究人员认为。现在,英国诺丁汉大学的Yong Mao及其同事开发了一种用于建筑结构的理论框架,该结构的最佳分层顺序取决于其需要承受的载荷。利用这项技术,团队构建了这样的结构– a simple frame –由聚合树脂制成,使用“快速成型技术” –这是3D打印的高级形式。

对于结构中的第一个元素,毛及其同事只是构造了一个空心梁,他们称之为空心梁。“generation-0”元件。考虑梁的厚度和半径的不同值,以便可以用最少的材料构建最强的梁。然后,通过沿梁的长度和轴线施加载荷来测试该梁的鲁棒性,以查看梁是否在其中任何一个上失效。“我们这样做是为了分析每个局部级别的失效模式,从而使结构在每个级别都不会不必要地坚固…我们针对所需的属性进行了优化,”毛说。他进一步解释说,如果50 kg表平衡在空心钢腿上,比实心钢腿轻约10倍,并且坚固耐用。

下一步,或者“generation-1” structure, is a similar beam on a larger length scale. It is made up of the individual 第0代 beams in a triangular framework (see figure above, left). The generation-2 structure is then made by replacing each beam in the 第一代 structure with a full-scale version of itself, all assembled into a larger triangular frame. This can be repeated for one more level –第三代元素–计算表明,使用的层次级别越高,支持给定负载所需的材料就越少。

坚固的结构

团队设计了许多不同的结构。例如,它发现,由第一代结构制成的起重机吊臂比由实心钢制成的起重机吊臂轻100倍。另一个更奇特的应用是使用该技术来建造太阳帆的吊杆。这些是太空中的大型结构,将来可能会收集太阳辐射。这种帆的理论设计包括大约100的吊杆 长度为1米,但只需要足够坚固即可承受太阳辐射压力。在这种情况下,第三代钢结构的重量将比实心梁轻10,000倍。

3D打印

这种制造的缺点是缺陷会引起严重的问题。“由于没有多余的材料会承受更大的压力,因此即使是局部的小瑕疵也会产生很大的影响,也许这就是迄今为止这种制造尚不实用的原因,”毛泽东解释说,他说该团队也在研究其模型,以更好地解决此类错误。但他坚信,只要有必要的精密工具,商业技术将在来年得到改善。毛还认为,最近商业化的3D打印技术确实可以使这些结构的制造受益。“我们可以将不同的设计上传到程序中,人们可以在家中下载并打印结构,” he says.

“从理论上讲,分形将涉及无数个世代…但话说回来,将来通过聚集越来越多的世代,可以实现相同的复杂性,”西班牙Comillas Pontifical University的Mario Castro说,他没有参与这项工作。“如果他们找到了一种方法,可以像自然发生的那样通过自我组织来组装这些多尺度结构,那将非常有趣,但是我认为这项工作真的很有趣。 ”

该作品发表在 体检信.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者