الإسفنج البحري كمصدر إلهام لناطحات السحاب المستقبلية والجسور وسفن الفضاء

عند ذكر عبارة "sea sponge" ، قد يكون لدى شخص ما صورة لشخصية كرتونية مشهورة للغاية في رأسه. ومع ذلك ، فإن أفضل موظف Krusty Krab ليس له علاقة بنموذجه الأولي الواقعي. بصريًا ، تبدو الأنواع المختلفة من الإسفنج البحري مختلفة: أمفورا يونانية قديمة ، وأدوات رياح معقدة ، وأغصان أشجار مجففة ، وزهور فاخرة ، إلخ. ولكن وراء المظهر الخارجي ، يوجد هيكل خلوي معقد بشكل لا يصدق جذب انتباه المجتمع العلمي لعدة سنوات حتى الآن. وجد الباحثون في جامعة هارفارد مؤخرًا أن السمات الهيكلية للإسفنج البحري يمكن أن تكون مصدر إلهام لناطحات سحاب أقوى وأطول ، وجسورًا أطول وسفن فضاء خفيفة للغاية. لماذا هيكل الإسفنج البحري فريد من نوعه ،ما هي خصائصه الميكانيكية ، وما النتائج التي أظهرتها النماذج الأولية بناءً على البيانات التي تم الحصول عليها؟ سنجد إجابات لهذه الأسئلة في تقرير العلماء. اذهب.

أساس البحث

يوجد حوالي 8000 نوع من الإسفنج البحري في العالم ، لكن هذه الدراسة تركز على الإسفنج ذي الستة أشعة ( Hexactinellida ). هذا النوع من الإسفنج متنوع للغاية ، حيث يوجد حوالي 600 نوع. يعيشون في البحار على أعماق من 5 إلى أكثر من 6000 متر.



حصل الإسفنج ذو الست أشعة على اسمه من هيكل الهيكل العظمي ، والذي يتكون من إبر سيليكون ذات ستة أشعة ، والتي تقع في ثلاث مستويات متعامدة بشكل متبادل. يمكن أن يكون



شكل جسم Hexactinellida مختلفًا جدًا: أنبوبي ، كأس ، متكتل ، معالج ، مفصص ، إلخ. على الرغم من الاختلافات المرئية ، فإن تكوين الجسم لجميع الأنواع متشابه تمامًا. أساس الجسم هو مخلوق واحد * .

* — , .

(Hexactinellida): — ; - — ; — ; — .

الرسم التخطيطي وحده يكفي لفهم لماذا يمكن أن تكون الإسفنج الزجاجي مفيدًا جدًا في الهندسة المعمارية أو بناء الجسور.



في هذه الدراسة ، قام العلماء بفحص النظام الهيكلي المعدني لأسفنج Euplectella aspergillum (سلة زهرة الزهرة) ، والتي تتميز ببنية هرمية فريدة وقوة ميكانيكية على العديد من مقاييس الطول.





Euplectella aspergillum (منظر علوي). تتكون



العناصر الهيكلية الزجاجية (الأشواك) من E. aspergillum من لب بروتين مركزي محاط بطبقات متحدة المركز من جزيئات السيليكا النانوية المدمجة (ثاني أكسيد السيليكون ، SiO ₂) والطبقات العضوية الرقيقة. يتم تنظيم الأشواك لتشكيل شبكة مربعة ، معززة بمجموعتين متقاطعتين من الدعامات القطرية المزدوجة ، مما يخلق نمطًا يشبه رقعة الشطرنج من الخلايا المفتوحة والمغلقة بالتناوب.





Image # 1



سابقًا ، تم فحص تأثير بنية spicule متعددة الطبقات على إبطاء انتشار الشقوق وزيادة قوة الانحناء ، لكن المزايا الميكانيكية المحتملة للشبيكة المربعة ذات القطرين لم تحظ باهتمام كبير.



يتذكر العلماء أن المشابك مفتوحة الخلية مثل تلك الموجودة في النظام الهيكلي للإشريكية الرشاشةتستخدم بشكل شائع في سياق هندسي بسبب وزنها الخفيف وامتصاصها العالي للطاقة والقدرة على التحكم في انتشار الموجات الصوتية والحرارة. كقاعدة عامة ، تعتمد خصائص ووظائف هذه الأشكال الهندسية على نوع وخصائص اتصال عقدها (نقاط التقاطع).



على سبيل المثال ، مطلوب حد أدنى لعدد العقد من ستة للمشابك ثنائية الأبعاد حيث يكون التوتر هو السائد ، وبالتالي تحقيق نسبة قوة إلى وزن أعلى للتطبيقات الهيكلية. لكن المشابك ذات الشكل الهندسي المربع البسيط (مع وصلة عقدة مكونة من أربعة) تكون غير مستقرة إلى حد ما عندما يكون لمتجه الحمل مكون عرضي ، لذلك يلزم وجود اتصال قطري لتحقيق الاستقرار.



في العمل الذي ندرسه اليوم ، استخدم العلماء الهيكل العظمي لـ E. aspergillum كأساس لإنشاء هياكل شبكية مربعة قوية ميكانيكيًا. خلال الدراسة ، تم استخدام طرق التحليل التجريبية والعددية لتحديد الخواص الميكانيكية للشبكة الهيكلية للإسفنج.

نتائج البحث

لفهم المزايا الميكانيكية للبنية الهيكلية للإسفنجة بشكل أفضل ، تم إجراء مقارنة لخصائصها الهندسية مع تلك الخاصة بثلاث شبكات أخرى ثنائية الأبعاد ذات قاعدة مربعة (جميع الأربعة لها نفس الحجم ، أي نفس الكمية من المادة).



في كل من هذه الهياكل ، تألفت العمارة المربعة الأساسية من عناصر بطول L ومقطع عرضي مستطيل يتميز بعمق H كبير بما يكفي لتجنب التشوه خارج الطائرة.



الخيار أ ، المستوحى من إسفنج البحر ، يتألف من عناصر أفقية ورأسية (خارج القطر) بسماكة T _{A ، nd} = 0.1 L ومجموعتين من الأقطار المزدوجة المتوازية بسمك T _{A ، d}= 0.05 L تقع على مسافة S = L / (√2 + 2) من العقد ( 2a ).





الصورة رقم 2



استند الخيار B أيضًا إلى بنية الإسفنج مع T _{B ، nd} = 0.1 L ، ولكنه يحتوي على قطري واحد فقط من سمك T _{B ، d} = 0.1 L ، معبرًا لكل خلية مغلقة ( 2 ب ). اعتمد



الخيار C (T _{C ، nd} = 0.1 L) على الهندسة المعمارية المستخدمة في التطبيقات الهندسية الحديثة ، وكان له مجموعة من الحزم القطرية المتقاطعة بسمك T _{C ، d} = 0.05 L في كل خلية ( 2c ).



لم يكن للخيار D أي تعزيز قطري ، وكانت أعضائه الأفقية والرأسية T _{D ، nd} = 0.1L (1 + 1 / √2) (2 د ).



بادئ ذي بدء ، تم تحليل الاستجابة الميكانيكية تحت ضغط أحادي المحور على طول العناصر الرأسية لخيارات الشبكة الأربعة الموضحة أعلاه.



تم عمل عينات تحتوي على فسيفساء 6 × 6 لخلايا مربعة مع L = 1.5 سم و H = 4 سم على طابعة Connex500 ثلاثية الأبعاد (ستراتاسيس). تم إجراء الضغط أحادي المحور باستخدام جهاز Instron (الطراز 5969) مع خلية تحميل 50 كيلو نيوتن ( 2e ).



على الرسم البياني 2fيوضح منحنيات الإجهاد والانفعال التي يمكن من خلالها استخلاص استنتاجين رئيسيين. أولاً ، كل تصميمات التعزيز القطرية (الخيارات أ ، ب ، ج) لها استجابة مرنة أولية متطابقة تقريبًا ، مما يدل على أن تصميمات التعزيز القطرية المختلفة لم تؤثر على الصلابة الكلية الأولية للهيكل. أظهر الخيار D ، كما هو متوقع ، صلابة أولية أعلى بسبب الأعضاء الرأسية والأفقية السميكة.



ثانيًا ، تُظهر جميع المنحنيات قدرة تحمل قصوى واضحة ، مع تحميل الهيكل A (البديل المستوحى من الإسفنج) أعلى حمولة.



نظرًا لأن كل حمولة قصوى تتوافق مع بداية الانثناء ، فقد خلص العلماء إلى أن التصميم A لديه أعلى إجهاد انحناء حرج لجميع خيارات الانثناء التي تم النظر فيها.



بالإضافة إلى ذلك ، وجد أنه في جميع الهياكل الثلاثة ذات الأقطار ، أدت الديناميكيات بعد فقدان الاستقرار إلى تحول متجانس للهيكل في جميع أنحاء العينة ( 2e ).



ولكن في المتغير D ، أدى الوضع الحرج إلى طول موجي أطول بكثير من حجم الخلية المربعة ، والذي أدى ، بعد فقدان الاستقرار ، إلى تكوين شكل مماثل نوعيًا لشكل الحزمة المنحنية المضغوطة.



لفهم كيف أدى تصميم الشبكة المستوحاة من الإسفنج إلى تحسينات كبيرة في الأداء الميكانيكي ، تم إجراء نمذجة العناصر المحدودة باستخدام برنامج ABAQUS / Standard.



للنمذجة ، تم إنشاء الهندسة باستخدام عناصر شعاع Timoshenko (نوع العنصر ABAQUS B22) ، وتم تسجيل تفاعل المواد باستخدام نموذج مادة غير قابل للضغط مع معامل القص μ = 14.5 ميجا باسكال.



تتكون عملية النمذجة من ثلاث مراحل:

• تحليل التواء
• ثم تم تطبيق اضطراب على العقد الشبكية في شكل وضع التواء أدنى ؛
• التحليل اللاخطي الساكن لتقييم الاستجابات اللاخطية عند التشوهات الكبيرة.

يوضح الرسم البياني 2f اتفاقًا وثيقًا جدًا بين النتائج العددية والتجريبية.



علاوة على ذلك ، تم تمديد نموذج العناصر المحدودة عن قصد لدراسة تأثير اتجاه الحمل. من أجل تقليل التكاليف الحسابية والقضاء على تأثيرات الحافة ، تم استخدام دورية الهياكل وتم التحقق من استجابة عناصر الحجم التمثيلية (RVE) بشروط حد دورية مناسبة.





الصورة رقم 3



في 3 أيوضح التغير في الصلابة الفعالة للهيكل (E) اعتمادًا على زاوية التحميل (θ). وجد أن صلابة جميع الهياكل التي تحتوي على تقوية قطرية كانت عمليا هي نفسها لأي زاوية تحميل. تؤكد هذه الحقيقة أيضًا أن صلابة الهيكل تم تحديدها بشكل أساسي من خلال كمية المواد الموزعة على طول اتجاه الحمل.



نتيجة لذلك ، أظهر الهيكل D ، الذي تم فيه تصنيف جميع المواد على أنها عناصر غير قطرية ، أعلى صلابة عند θ = 0 درجة ، ولكن كان له قدرة تحمل ضئيلة عند θ = 45 درجة.



علاوة على ذلك ، تمت دراسة تأثير θ على خصائص التواء الهياكل A - D. إجهاد الانحناء الحرج الفعال (̅σ _cr) من التصميم A أعلى من تصميمات التعزيز القطرية الأخرى (التصميمات B و C) لجميع قيم θ ( 3b ). يتفوق البناء D على البناء A في الفترة 27 ° <<63 ° ، بافتراض أن هذه الإنشاءات لا حصر لها. ومع ذلك ، نظرًا لسلوك الانحناء العالمي للهيكل D ، فقد تأثرت هذه الخصائص إلى حد كبير بالتأثيرات الحدودية وتم تقليل إجهاد الالتواء الحرج بشكل كبير عند النظر في بنية ذات حجم جيد 10x10 RVE ( 3d ). بالإضافة إلى ذلك ، احتفظت هندسة البنية أ بقوتها حتى بعد التعديلات على الشبكة من خلال إدخال مستويات مختلفة من الفوضى ، والتي تتوافق مع السمات التي لوحظت في الهيكل العظمي للإسفنج البحري.



تُظهر المحاكاة أعلاه ونتائج الاختبار الفعلية بوضوح أن خيار التصميم A ، استنادًا إلى الهيكل العظمي للإسفنج البحري ، يتفوق بوضوح على منافسيه (الخيارات B و C و D). ومع ذلك ، لم تكتمل الاختبارات في هذا الصدد ، لأن العلماء تساءلوا عما إذا كان من الممكن إنشاء هيكل سيكون أفضل.



تحقيقا لهذه الغاية ، تمت صياغة مشكلة تحسين تهدف إلى تحديد عدد (N) من العناصر القطرية لشبكة مربعة ، مما سيسمح بتحقيق ضغط ثني حرج أعلى. كان من الضروري أيضًا تحديد المسافة بين هذه العناصر وعقد الوصلات الشبكية S _i (حيث i = 1 ، 2 ، ... ، N) ، وكذلك نسبة العناصر القطرية وغير القطرية λ = V _nd / V _d (V_nd و V _d هما حجوم العناصر غير القطرية والقطرية ، على التوالي). تؤثر كل هذه المتغيرات بطريقة أو بأخرى على مؤشرات الإجهاد المنحني.



أثناء الاختبارات ، تعرضت هياكل RVE 3x3 لضغط أحادي المحور بالتوازي مع العناصر غير المائلة (θ = 0 درجة). تم تعظيم الوظيفة الموضوعية Z = ̅σ _cr باستخدام نمذجة العناصر المحدودة جنبًا إلى جنب مع تنفيذ Python لخوارزمية تطور تكيف مصفوفة التغاير (CMA-ES). لكل مجموعة بيانات إدخال محددة بواسطة CMA-ES ، تم إجراء تحليل التواء بواسطة طريقة العناصر المحدودة للحصول على _cr ، والتي تم استخدامها لاحقًا لتقدير الوظيفة الموضوعية Z.



تم إجراء سبعة تحسينات مختلفة ، اعتبر كل منها عددًا صحيحًا ثابتًا من العناصر القطرية N في النطاق من واحد إلى سبعة (N = ℤ ϵ [1 ، 7]). لضمان تناسق النظام ، تم أخذ القواعد التالية في الاعتبار: S _{2i - 1} = S _2i (i = 1 ، 2 ، ... ، N / 2) ، إذا كان N عددًا زوجيًا ؛ S ₁ = 0 و S _{2i - 1} = S _2i (i = 2 ، 3 ، ... ، (N - 1) / 2) إذا كان N فرديًا.





الصورة №4 يوضح



الرسم البياني 4 أ أعلى قيمة ̅σ _cr ونموذج معين CMA-ES لجميع القيم المعتبرة N. وقد وجد أن أعلى قيمة ̅σ _crكان فقط 9.55٪ أعلى مما كان عليه في حالة التصميم الذي تم اختباره سابقًا أ. في هذا الاختبار ، تم استلهام التصميم المحاكي أيضًا من إسفنجة بحرية: تم وضع قطرين على مسافة S = 0.1800 L من العقد ، وكان توزيع الحجم مثل λ = 0.6778). تم تأكيد نتائج المحاكاة بنجاح تجريبيًا ( 4 ب ).



يلاحظ العلماء أن الهيكل العظمي للإسفنج البحري E. aspergillum هو مصدر إلهام كبير لأكثر من مجرد هندسة شبكية (البناء أ). لإثبات ذلك ، تُظهر الصورة 5 أ فسيفساء شبكة رقيقة مربعة 11 × 2 تتعرض لضغط الانحناء من ثلاث نقاط.





الصورة رقم 5 كتجارب



( 5 ب) وأظهرت عمليات محاكاة العناصر المحدودة أن التصميم المستوحى من الإسفنج كان أكثر صلابة ويمكنه التعامل مع أحمال أعلى بنسبة 15٪ على نطاق أوسع من عمليات الإزاحة المطبقة.



لمعرفة أكثر تفصيلا مع الفروق الدقيقة في الدراسة، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء و مواد إضافية لذلك.

الخاتمة

لطالما كانت الطبيعة وستظل أحد المصادر الرئيسية للإلهام للبحث العلمي. في هذا العمل ، تم تأكيد هذا البيان من خلال مثال الإسفنج البحري من النوع Euplectella aspergillum ، الذي يتميز هيكله العظمي بخصائص مذهلة. الميزة الرئيسية هي أن هذا الهيكل البيولوجي قادر على تحمل الأحمال الكبيرة ، بينما يتم تضمين الحد الأدنى من المواد في بنائه. بعبارة أخرى ، الإسفنج البحري مسامي تمامًا (بالمعنى التقريبي) ، ولكنه متين للغاية.



أظهرت الدراسة أن بنية الهيكل العظمي للإسفنج البحري يمكن أن تكون مفيدة للغاية في مجموعة متنوعة من مجالات النشاط البشري. سيسمح إدخال الهندسة المعمارية الإسفنجية في البناء بإنشاء ناطحات سحاب أطول وجسور أطول ، بينما سيتم إنفاق الكمية المثلى من المواد ، ولن تتأثر قوة الهياكل النهائية. يمكن استخدام هذه التقنية أيضًا في بناء الطائرات وبناء السفن وحتى في الملاحة الفضائية ، لأن تقليل كتلة السفينة سيقلل من استهلاك الوقود.





شكرًا لاهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بعطلة نهاية أسبوع رائعة يا شباب! :)

قليلا من الدعاية

أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المحتويات الشيقة؟ ادعمنا من خلال تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، VPS السحابية للمطورين من 4.99 دولارًا ، وهو تناظرية فريدة من الخوادم على مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 مراكز) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من 19 دولار أو كيفية تقسيم السيرفر بشكل صحيح؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 وما يصل إلى 24 مركزًا وذاكرة DDR4 بسعة تصل إلى 40 جيجابايت).



هل Dell R730xd 2x أرخص في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14C 64 جيجا بايت DDR4 4x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تلفزيون من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تيرا بايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية للمبنى. فئة مع خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل فلس واحد؟