بررسی تجربی و عددی گسترش ترک در رگه های بال سنجاقک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مدرس، مهندسی مکانیک، موسسه آموزش عالی احرار، رشت

2 مدرس موسسه آموزش عالی احرار رشت

3 استاد موسسه آموزش عالی احرار رشت

4 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت

چکیده

بال‌های حشرات ساختارهای حیاتی پیچیده‌ای هستند که دارای رفتار مکانیکی جالب توجهی می‌باشند. بال‌ها اساسا از رگه‌ها و پوسته‌ها تشکیل یافته‌اند. پوسته‌های تشکیل دهنده بال از لحاظ مکانیکی از چقرمگی بالایی برخوردار نیستند. اما به طور کلی مجموعه ساختار بال از مقاومت بسیار بالایی در برابر گسترش ترک برخوردار است. در این مقاله، ترکیبی از روش‌های عکس برداری با میکروسکوپ الکترونی، تست کشش و شبیه‌سازی عددی به منظور بررسی نقش رگه‌ها بر مکانیزم چقرمگی بال مورد استفاده قرار می‌گیرد. مدلسازی عددی رشد ترک در رگه بر مبنای روش المان محدود توسعه یافته می‌باشد. خواص مکانیکی الاستیک خطی و قانون کشش- جدایش خطی به منظور شبیه‌سازی رفتار ساختاری ماده تشکیل‌دهنده رگه استفاده می‌شود. عکس‌های میکروسکپی نشان می‌دهند که رگه‌های بال دارای ساختار میکروسکپی توخالی متشکل از لایه‌های ساخته شده از کیتین و پروتئین می‌باشند. نتایج حاصل از شبیه‌سازی عددی نشان می‌دهد که تمامی لایه‌های سازنده رگه با تنش ناشی از شرایط بارگذاری خارجی مواجه می‌شوند. اما حضور پروتئین نقش مهمی در جلوگیری از رشد ترک ایفا می‌کند. مقایسه نتایج نشان دهنده مطابقت مطلوب بین مدلسازی‌های عددی انجام شده و نتایج تجربی می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental and numerical investigations of crack propagation in dragonfly wing veins

نویسندگان [English]

  • Hamed Rajabi 1
  • hashem babaei 4
1 Kiel University
چکیده [English]

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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dragonfly wing
  • scanning electron microscopy
  • extended finite element method
  • Tensile Test
  • crack propagation
[1] Rajabi, H., Moghadami, M. and Darvizeh. A., 2000.“Investigation of microstructure, natural frequencies
and vibration modes of dragonfly wing,” Journal of Bionic Engineering, 8(2), pp. 165-173.
[2] Rajabi, H. and Darvizeh. A., 2013. “Experimental investigations of the functional morphology of dragonfly wings,” Chinese Physics B, 22(8), pp.088702.
[3] Darvizeh, M., Darvizeh, A., Rajabi, H. and Rezaei.A., 2009. “Free vibration analysis of dragonfly wings
using finite element method,” The International Journal of Multiphysics, 3(1), pp. 101-110.
[4] Rajabi, H., Ghoroubi, N., Darvizeh, A., Dirks, J-H.,Appel, E. and S. N. Gorb, 2015. “A comparative study
of the effects of vein-joints on the mechanical behavior of insect wings: I. Single joints,” Bioinspiration &
Biomimetics, 10(5), pp. 056003.
[5] Taylor, D., Hazenberg, J. G. and Lee, T. C., 2007.“Living with cracks: damage and repair in human
bone,” Nature materials, 6(4), pp. 263-268.
[6] Bloch, R., 1941. “Wound healing in higher plants,”The Botanical Review, 7(2), pp. 110-146.
[7] Martin, P., 1997. “Wound healing--aiming for perfect skin regeneration,” Science, 276(5309), pp. 75-81.
[8] Lai-Fook, J., 1968. “The fine structure of wound repair in an insect (Rhodnius prolixus),” Journal of
morphology, 124(1), pp. 37-77.
[9] Smith, C. W., Herbert, R., Wootton, R. J. and Evans,K. E., 2000. “The hind wing of the desert locust
(Schistocerca gregaria Forskal). II. Mechanical properties and functioning of the membrane,” Journal
of Experimental Biology, 203(19), pp. 2933-2943.
[10] Dirks, J-H. and Taylor, D., 2012. “Veins improve fracture toughness of insect wings,” PloS one, 7(8),
pp. e43411.
[11] Chen, Y. L., Wang, X. Sh., Ren, H. H., Yin, H.and Jia. S., 2012. “Hierarchical dragonfly wing:Microstructure-biomechanical behavior relations,”Journal of Bionic Engineering, 9(2), pp. 185-191.
[12] Vincent, J. F. V. and Wegst, U. G. K., 2004. “Design and mechanical properties of insect cuticle,” Arthropod
Structure & Development, 33(3), pp. 187-199.
[13] Fung, Y. C., 2013. “Biomechanics: mechanical properties of living tissues,” Springer, New York.
[14] Dirks, J-H., and Taylor, D., 2012. “Fracture toughness of locust cuticle,” The Journal of Experimental
Biology, 215(9), pp. 1502-1508.
[15] Rajabi, H., Darvizeh, A., Shafiei, A., Taylor, D. and Dirks, J-H., 2015. “Numerical investigation of insect
wing fracture behavior,” Journal of Biomechanics,48(1), pp. 89-94.
[16] Darvizeh, A., Anami Rad, S., Darvizeh, M., Ansari, R.and Rajabi, H., 2014. “Investigation of microstructure
and mechanical behavior of Woodlouse shells using experimental methods and numerical modeling,”
Modares Journal of Mechanical Engineering, 14, pp. 183-190.
[17] Darvizeh, A., Shafiee, Darvizeh, M., Habibollahi H. and Rajabi, H., 2014. “Investigation of the effects
of constructional elements on the biomechanical behavior of desert locust hind wing,” Modares Journal
of Mechanical Engineering, 14, pp. 235-244.
[18] Rajabi, H., Monsef, M., Darvizeh, A. and Shafiei, A.,2014. “Numerical investigation of fracture behavior
of beetle elytra,” 4th International Conference on Composites: Characterization, Fabrication and Application (CCFA-4), Tehran.
[19] Rajabi, H., Bazargan, P., Pourbabaei, A., Darvizeh,A., Shafiei, A. and Eshghi, Sh., 2014. “Simulation
of fatigue crack propagation in insect cuticle,”4th International Conference on Composites:Characterization, Fabrication and Application (CCFA-4), Tehran.
[20] Darvizeh, A., Rajabi, H., Khaheshi, A., Etedadi, J. and Sobhani, M. K., 2011. “Morphological and numerical
investigations of butterfly wing composite structure,”International Bionic Engineering Conference, Boston.
[21] Darvizeh, A., Rajabi, H., Khaheshi, A., Sobhani, M.K. and Etedadi, J., 2011. “Investigation of bee wing
composite structure: A scanning electron microscopy study and numerical analysis,” International Bionic
Engineering Conference, Boston.