骨骼结构的发现激发出更耐用、更轻量的飞机机翼

时间:2019-11-22 13:32 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

骨骼结构的发现激发出更耐用、更轻量的飞机机翼



  Christopher J. Hernandez是Sibley机械和航空航天工程学院以及Meinig生物医学工程学院的副教授,他解释了骨骼内部结构中看似微小的方面是如何被加强以承受循环载荷的反复磨损的。资料来源:约翰·曼森/康奈尔大学

  康奈尔大学的研究人员最近有了一项新发现,他们发现骨骼内部结构中看似微小的部分是如何被加固以承受反复的磨损和撕裂的。这一发现可能有助于治疗患有骨质疏松症的患者。它还可以为航空航天工业创造更耐用、更轻量的材料。

  该团队的论文《受骨骼启发的微架构增强疲劳寿命》于2019年11月18日发表在《美国国家科学院院刊》上。

  几十年来,研究骨质疏松症的科学家们一直使用x射线成像技术来分析骨骼结构,并找出骨骼的优缺点。密度是通常与骨骼强度相关的主要因素,在评估骨骼强度时,大多数研究人员都着眼于骨骼一次能承受多少负荷。

  但是由资深作者Christopher J. Hernandez领导的团队,是Sibley机械和航空航天工程学院以及Meinig生物医学工程学院的副教授,他们对长期疲劳寿命很感兴趣,也就是骨头在断裂之前能够承受多少循环载荷。

  由Christopher J. Hernandez领导的康奈尔大学研究人员使用3D打印机制造了一种受骨骼启发的材料,这种材料由一种氨基甲酸乙酯甲基丙烯酸酯聚合物制成,然后测试了它的耐久性。研究人员通过加强内部的杆状支柱,可以将这种材料的疲劳寿命提高100倍。资料来源:约翰·曼森/康奈尔大学

  “了解材料疲劳特性的最佳方法是,考虑一下你车里的某个部件经常坏掉,所以你必须把它带到商店去。”为什么会断呢?它显然足够强大,因为它可以工作数月,数年,一切正常。但是在骑了几千万次自行车之后,它就断裂了。”埃尔南德斯说。“我们对材料的这种特性已经了解了150年,我们所做的每件事的设计中都包含了这种特性。但没有多少人做过这种骨骼研究。”

  骨骼的内部结构由垂直的板状支柱组成,这些支柱决定了骨骼在超载时的强度。骨头也有水平的杆状支柱,对强度影响很小,本质上是“橱窗装饰”。赫尔南德斯和他的团队怀疑建筑的其他方面也很重要。使用新的计算机软件,该研究的主要作者Ashley Torres, M.A. 15, phd . 18, MBA . 19,能够对骨骼样本进行更深入的分析,并发现,当需要承受长期的磨损时,水平杆状支柱对延长骨骼的疲劳寿命至关重要。

  埃尔南德斯说:“如果你只加载一次骨头,那完全取决于它的密度,而密度主要是由板状支柱决定的。”埃尔南德斯也是威尔康奈尔医学院附属医院特殊外科医院的兼职科学家。“但如果你想想某样东西可以承受多少次低强度的载荷,这些侧向的小树枝才是真正重要的。”当人们变老的时候,他们首先失去了这些水平支柱,增加了骨骼在多次循环载荷下断裂的可能性。”

  研究小组用3D打印机制造了一种由聚氨基甲酸乙酯制成的骨骼材料。研究人员改变了燃料棒的厚度,使其疲劳寿命提高了100倍。

  埃尔南德斯预计,他的团队开发的加固微观结构网格可以应用到几乎任何设备中,这对航空航天工业尤其有利,因为在航空航天工业中,超轻量材料需要承受巨大的重复应变。

  埃尔南德斯说:“飞机遇到的每一次阵风都会造成一个载荷循环,所以机翼在每次飞行中都要承受数千次载荷。”“如果你想制造一个耐用的设备或一辆轻量化的交通工具,并且能够使用很长时间,那么在部件损坏之前,需要进行多少次加载循环才是真正重要的。”我们在这项研究中推导出的数学关系可以让设计这些晶格结构的人在单一载荷下平衡刚度和强度的需求,以及承受许多较低载荷循环的需求。”

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