基于围压装置的墨鱼骨试验和分析*

□ 蒋钰婷 □ 丁圆圆 □ 叶加健 □ 李鑫宇 □ 方泽辉 □ 周风华

1.宁波大学 冲击与安全工程教育部重点实验室 浙江宁波 315211 2.宁波大学 机械工程与力学学院 浙江宁波 315211

1 研究背景

墨鱼和鱿鱼、章鱼、鹦鹉螺一样,都属于头足纲,是一种会游泳的软体动物。墨鱼骨属于一种退化的外骨骼,墨鱼保留这个器官,主要是为了能在深海环境中调整浮力。 可以将墨鱼骨看做是一种特殊的超轻、高刚度、高渗透性细胞生物材料,使墨鱼得以在相当深的居住地中保持浮力[1-2]。另一方面,墨鱼骨还提供了身体的结构骨干,在保护重要器官方面发挥关键作用。

墨鱼骨有两个主要成分,分别为背盾和板层基质。背盾非常坚硬致密,为板层基质提供刚性基体。板层基质的孔隙率极高,高达90%,同时能够承受很高的静水压力。层板基质主要为文石,文石是碳酸钙的结晶形式[3-4]。

墨鱼作为深海生物,需要依靠墨鱼骨的渗透作用在不同深度进行活动[5-6]。因此,单独层的隔离非常重要,任何一层的破坏都不应淹没整个墨鱼骨,也不会影响相邻层的渗透性。为了满足在深海环境中的活动,墨鱼骨进化出了特殊的微观结构,包括腔室结构、水平隔膜、垂直支柱。

水平隔膜将墨鱼骨分为独立的腔室,这些腔室由具有波纹或波浪结构的垂直支柱支撑。垂直支柱的厚度因物种而异,但通常只有几微米。水平隔膜通常比垂直支柱厚,并且由双层结构组成。水平隔膜上层由垂直排列的晶体组成,下层由相对彼此旋转的纳米棒组成,这种微结构使墨鱼骨的孔隙率高达 90%。

Yang Ting等[7]对墨鱼在海洋中的活动深度进行了调研,发现墨鱼大多数生活在100～600 m的海洋深度,也就是说在正常的情况下,墨鱼需要承受1 MPa～6 MPa的围压作用。目前,关于墨鱼骨动力学特性的研究数据大多来自机械检测试验研究,而且大多聚焦于单轴载荷作用下的试验。由于墨鱼骨在现实中常常同时经受多个方向上的复杂应力,因此仅仅深入研究墨鱼骨在单轴压缩应力状态下的动力学特性是远远不够的。

对于一种材料而言,围压的施加对其力学行为有显著影响,研究者往往针对不同的材料设计不同的围压装置进行试验[8-10]。笔者针对墨鱼骨设计了围压装置,模拟深海环境压力,从而研究墨鱼骨在深海环境中的力学行为。

2 试样制备

试验所使用的曼氏无针墨鱼一般盛产于浙江省西部沿海地区和福建省沿岸,所用墨鱼的标准规格为胴体全长15 cm。墨鱼的眼部为长圆形,后端近似圆形。墨鱼骨为长椭圆状,全长大约为宽的3倍,角质缘发育,后端无骨针。墨鱼骨样品都处于相当良好的状态,外部损伤小,如图1所示。

图1 墨鱼骨样品

由于墨鱼骨的特殊性及高精度要求,加工墨鱼骨试样选用200YZ高精度切割机。选取墨鱼骨样品若干件,切割出边长为10 mm的立方体形状试样,几何尺寸误差在5%以内。墨鱼骨试样如图2。

图2 墨鱼骨试样

对墨鱼骨试样进行表面干燥处理,需要在干燥过程中尽可能减小由于水分挥发产生的表面形状扭曲,并需要保证表面完全干燥。为了避免取样过程中试样被污染而影响结果分析,用溶剂先对试样进行超声清洗,然后喷涂20 nm厚金镀膜,并用导电胶牢牢粘住试样,这样能够更好地保证试样在抽真空时保持平稳,不漂移[11-12]。

采用扫描电镜对墨鱼骨进行扫描,墨鱼骨扫描电镜图像如图3所示。

图3 墨鱼骨扫描电镜图像

根据墨鱼骨扫描电镜图像,壁厚为4 ～ 7 μm。观察微观结构,墨鱼骨单胞宽约60 μm,高105 μm,单层板厚6 μm。墨鱼骨总密度约为0.2 g/cm3,孔隙率高达90%。墨鱼骨位于墨鱼身体的背侧,扫描电镜观察到的墨鱼骨板层基质为呈层状、细胞状的准周期结构,由水平隔膜分为腔室,由垂直支柱支撑,均匀分布在每层中。

3 围压装置

打开SolidWorks绘图软件,选择绘制零件模式,依次绘制压杆、紧固螺栓、密封圈、换气孔、密封盖、可视化玻璃窗口、进油阀,然后选择装配模式,对各个零件依次进行装配,并选择配合模式,设置材料的泊松比、密度等。选择1/4剖视,能够清晰看到围压装置内部的装配情况。围压装置三维模型剖视图如图4所示。通过渲染模式,对围压装置进行美化处理。围压装置三维模型装配图如图5所示。

图4 围压装置三维模型剖视图

图5 围压装置三维模型装配图

导出计算机辅助设计图纸进行加工,围压装置腔室装配实物如图6所示。

图6 围压装置腔室装配实物

(1) 压杆。压杆上端与材料试验机接触,直径设计为10 cm,厚度为2 cm。压杆下端与试件接触,直径为1.5 cm,长度为15 cm。为了减少试验过程中因压杆进入腔室体积变大导致的气压增大,压杆的尺寸应尽可能小。

(2) 紧固螺栓。紧固螺栓孔位于密封盖表面,呈环形分布。

(3) 密封圈。为了防止试验过程中液压油从压杆和密封盖之间溢出,在密封盖中加入双层密封圈,确保密封性。

(4) 换气孔。试验时,压杆在压缩过程中会挤压空气,增大气压。为了减小试验误差,加入换气孔。当压杆完全接触墨鱼骨试样时,拧紧换气孔。

(5) 密封盖。密封盖盖板形状为长方体,尺寸为15 cm×15 cm×4 cm,表面开有四个螺栓孔及一个换气孔。

(6) 可视化玻璃窗口。为了能够观察墨鱼骨试样在围压状态下破损的全过程,在腔室的两侧开孔,将可视化玻璃放入腔室内壁固定。试验过程中油压对可视化玻璃有向外压力,由此提高了腔室的密封性。

(7) 腔室。为了保持围压装置的一体化和密封性,对腔室采用了铸造工艺,尺寸为15 cm×15 cm×15 cm。腔室要承受1 MPa～2 MPa的围压,将腔室厚度设计为2 cm。腔室的底部中央设有直径为1.5 cm的平台,用于放置墨鱼骨试样。

(8) 进油阀。进油阀位于腔室底部,一端连接腔室,另一端连接油泵。油泵具有稳压作用,通过进油阀进出腔室来实现腔室内的油压稳定。

围压装置油泵装配如图7所示。由一体泵、60 A电子调速器、1 400 mA·h锂电池、电子调速器控制器构成。一体泵的三相异步电机与电子调速器相连,电子调速器另一侧与锂电池、电子调速器控制器相连,形成回路。一体泵由油箱、压力表、调压钮、注油口、回油口组成,利用电机带动油箱内活塞往复运动,改变油箱内容积,以吸入或排出液压油,达到稳定腔室内油压的目的。通过调压钮,可以设定试验所需围压大小,并通过旋转电子调速器控制器来调节电子调速器,进而控制进油速率。

图7 围压装置油泵装配

4 试验方法

在进行准静态压缩试验时,采用载荷量程为±10 kN,位移量程为-75～75 mm的材料试验机。这一材料试验机集成了力传感器、位移传感器,可进行拉伸、压缩、弯曲等力学性能测试,同时采集并记录试验过程中的力位移曲线。

每次压缩均在特定的恒定加载速度下进行,以获得在相应恒定标称应变率下的力学性能,标称应变率数值等于速度除以墨鱼骨试样的高度。在整个压缩过程中,监测并记录实时负载与位移数据。试验现场如图8所示。

图8 试验现场

摄影设备选用高速摄影仪,外形尺寸为 29 mm×29 mm×30 mm,运行环境温度为0～45℃,分辨率为 2 592像素×1 944 像素,可以实现高清实时摄影记录墨鱼骨试样压缩破碎全过程。

5 试验结果

墨鱼骨试样在大气压和1 MPa 围压下的应力应变曲线如图9所示。应力应变曲线可以分为三个阶段。第一个阶段为线性阶段,加载开始时,应力与应变基本呈线性关系,随后由于墨鱼骨的弹性屈曲引起刚度减弱,导致曲线斜率逐渐减小,直至达到屈服应力,墨鱼骨开始逐层坍塌。在第二个阶段,随着应变的增大,应力基本保持不变。试验后期为第三个阶段,应变继续增大时,应力逐渐增大。

图9 墨鱼骨试样应力应变曲线

当应变速率为 10-3s-1时,在1 MPa围压状态下,墨鱼骨试样的初始压碎应力为3.5 MPa,第二个阶段平台应力约为2.5 MPa,第二个阶段应变范围为0.1～0.6。在大气压状态下,墨鱼骨试样的初始压碎应力为1.02 MPa,第二个阶段平台应力约为 1.08 MPa,第二个阶段应变范围为0.12～0.78。试验结果表明,在相同的应变率下,围压状态下墨鱼骨的屈服应力明显增大。通过试验证明墨鱼在静水压环境下能够更好地承受压力。

6 结束语

目前,关于墨鱼骨力学特性的研究,大多集中于单轴载荷作用下的试验。但是,墨鱼骨在现实中常常需要同时经受多个方向上的复杂应力,所以仅仅深入研究墨鱼骨在单轴受压极限状况下的动力学特性是远远不够的。

针对墨鱼骨,笔者应用SolidWorks三维软件设计围压装置,导出为计算机辅助设计图纸进行加工。围压装置采用铝合金材料,腔室部分为了保持一体性,采用铸造工艺,压杆和密封盖采用车床加工[13]。为了在试验过程中观察墨鱼骨试样的破坏过程,在腔室侧面打孔,装上可视化玻璃。在密封盖处加入换气孔,由此避免因压杆压缩空气导致腔室内气压升高带来的试验误差。

试验结果表明,墨鱼骨试样在大气压和1 MPa围压下的应力应变曲线分为三个阶段,在围压状态下墨鱼骨的屈服应力明显增大,由此证明墨鱼在静水压环境下能够更好地承受压力,墨鱼骨具有高强度、高刚度的特点。