بررسي ساختار ميكروسكوپي و رفتار مكانيكي پوسته خرخاكي با استفاده از مشاهدات تجربي و مدل‌سازي عددي

Investigation of microstructure and mechanical behavior of Woodlouse shells using experimental methods and numerical modeling

در اين مقاله ساختار ميكروسكوپي پوسته خرخاكي با استفاده از تصاوير به دست آمده از دستگاه ميكروسكوپ الكتروني مورد بررسي قرار گرفته و پاسخ ديناميكي پوسته اين جانور، تحت ضربه يك پرتابه مخروطيبه روش اجزاي محدود مطالعه شده است. شكل خاص پوسته جانور كه يك كامپوزيت مي‌باشد، باعث شده كه علي‌رغم ضخامت ناچيز، در برابر بارهاي خارجي، مقاومت مطلوبي از خود نشان دهد. همچنين جانور قادر است در صورت احساس خطر خود را جمع كرده و بدن خود را به شكل يك كره درآورد. بنابراين به منظور بررسي اثرات احتمالي اين قابليت تغيير شكل در بدن حشره، بارگذاري بر روي پوسته در هر دو وضعيت صاف و كروي، با زواياي برخورد مختلف و سرعت هاي متفاوت انجام شد. با مقايسه بين دو وضعيت صاف و كروياين نتيجه حاصل شد كه ميزان تمركز تنش ايجاد شده در پوسته در حالتي كه جانور خود را به شكل كره جمع مي كند، كمتر از حالت نرمال است كه اين امر بيانگر تاثير مثبت مكانيزم حفاظتي جانور مي باشد. نتايج حاصل از اين تحقيق مي توانددر راستاي طراحي و ساخت ساختارهاي نوين مهندسي داري نسبت استحكام به وزن بالا، مورد استفاده قرار گيرد.

In this paper, a scanning electron microscope (SEM) is used for microstructural investigations of a woodlouse shell. Finite element (FE) method is employed to study the dynamic behavior of the shell subjected to the impact of a cone-shaped projectile. Despite of small thickness, the shell, as a composite material, enables the insect to bear large external forces. The woodlouse is also able to roll up into a complete sphere to protect itself from danger. In order to study this defense mechanism, the external loads are applied to the shell in different configurations: when the shell is in (1) normal and (2) rolled-up forms. The simulations are performed at different velocities and at different impact angles. Comparisons of the results obtained from different simulations indicate that the defense mechanism of the woodlouse has an important role in decreasing the stress concentrations. Indeed, it is a defense mechanism which effectively increases the load-bearing capacity of the insect shell. The results of the present research may be useful in the design and manufacture of modern engineering structures with a high strength to weight ratio.