بررسي تجربي و عددي گسترش ترك در رگه هاي بال سنجاقك

Experimental and Numerical Investigations of Crack Propagation in Dragonfly Wing Veins

چكيده بال هاي حشرات ساختارهاي حياتي پيچيده اي هستند كه داراي رفتار مكانيكي جالب توجهي مي باشند. بال ها اساسا از رگه ها و پوسته ها تشكيل شده اند. پوسته هاي تشكيل دهنده بال از لحاظ مكانيكي از چقرمگي بالايي برخوردار نيستند. اما به طور كلي مجموعه ساختار بال مقاومت بسيار بالايي در برابر گسترش ترك دارد. در اين مقاله، تركيبي از روش هاي عكس برداري با ميكروسكوپ الكتروني، آزمون كشش و شبيه‌سازي عددي به منظور بررسي نقش رگه ها بر مكانيزم چقرمگي بال مورد استفاده قرار گرفته است. مدلسازي عددي رشد ترك در رگه بر مبناي روش المان محدود توسعه يافته است. خواص مكانيكي الاستيك خطي و قانون كشش- جدايش خطي به منظور شبيه‌سازي رفتار ساختاري ماده تشكيل دهنده رگه استفاده مي شود. عكس هاي ميكروسكپي نشان مي دهند كه رگه هاي بال داراي ساختار ميكروسكپي توخالي متشكل از لايه‌هاي ساخته شده از كيتين و پروتيين مي باشند. نتايج حاصل از شبيه‌سازي عددي نشان مي دهند كه تمامي لايه هاي سازنده رگه با تنش ناشي از شرايط بارگذاري خارجي مواجه مي شوند. اما حضور پروتيين نقش مهمي در جلوگيري از رشد ترك ايفا مي كند. مقايسه نتايج نشان دهنده مطابقت مطلوب بين مدلسازي هاي عددي انجام شده و نتايج تجربي مي باشد.

ABSTRACT The vinous wings of insects are complex biological structures with remarkable mechanical behavior. The wings mainly consist of veins and membranes. The membranes of the wing are not mechanically tough. But, the whole wing structure reveals a significant resistance to crack propagation. In this paper, a combination of scanning electron microscopy technique, experimental tensile tests and numerical simulation is employed to investigate the effect of the veins on the “toughening mechanism” of the wings. The numerical simulation of crack propagation in the vein is based on the extended finite element method. Linear elastic material properties and linear traction-separation law are used to simulate the constitutive behavior of the vein materials. The microscopic images show that the veins have a tubular microstructure that consists of layers made of chitin and protein. The results from numerical simulations demonstrate that each vein layer effectively cope with the stresses due to external loading. But, the presence of protein plays an important role in arresting the crack growth. Comparison of the results reveals a very good agreement between numerical simulations and experimental data.