Fracture Mechanics: Inspirations fr

Fracture Mechanics: Inspirations from Nature
ABSTRACT. In Nature there are many examples of materials performing structural functions. Nature requires materials which are stiff and strong to provide support against various forces, including self-weight, the dynamic forces involved in movement, and external loads such as wind or the actions of a predator. These materials and structures have evolved over millions of years; the science of Biomimetics seeks to understand Nature and, as a result, to find inspiration for the creation of better engineering solutions.
There has been relatively little fundamental research work in this area from a fracture mechanics point of view. Natural materials are quite brittle and, as a result, they have evolved several interesting strategies for preventing failure by crack propagation. Fatigue is also a major problem for many animals and plants. In this paper, several examples will be given of recent work in the Bioengineering Research Centre at Trinity College Dublin, investigating fracture and fatigue in such diverse materials as bamboo, the legs and wings of insects, and living cells.

INTRODUCTION

n this paper (and accompanying lecture) I will be considering two material properties of vital importance in engineering: fracture toughness and fatigue strength. I will show the results of measurements of these two properties in various materials and discuss the significance of these results for the mechanical structures in which these materials
are used. However, the materials and structures that I will consider are not from the world of engineering components; instead, they come from nature. If we look around us we see many natural, biological structures which are load-bearing and which are required to provide mechanical support and to ensure rigidity and long-term durability. These structures have not been designed in the way that engineering parts are designed, rather they have evolved over millions of years. In some ways these materials and structures are very different from their engineering equivalents, but nevertheless it can be interesting and perhaps useful to study them from an engineering perspective. Such studies shed light on aspects of the world in which we live, and may also lead to the development of improved engineering materials and components via a Biomimetics approach in which nature is seen as an inspiration and starting point for creative design activities.
Very little such work has been done to date from a fracture mechanics point of view. We have hardly any data on fracture toughness (Kc) and fatigue properties for natural materials, and little understanding about how these materials resist crack propagation and other failure mechanisms. In my research group we have been addressing this problem, starting some years ago with work on the fracture of bone, and moving in recent years to some of the other structural biological materials. In what follows I will describe three projects, spanning a large range of sizes from plants (which grow to heights of several metres), to insects (of the order of millimetres) and finally to living cells in our bodies where the relevant scale falls below one micron.
INSECT WINGS

Fig. 1 shows a crack-propagation test carried out on the wing of an insect – in this case a locust. We cut samples approximately 10mm x 10mm, introduced a notch of length approximately 1mm into one side, and applied axial tension. Further details can be found in a recent publication [1]. The wing consists of a sheet of material which is
very thin (approximately 3m) and which has veins of thicker material running through it at a spacing of approximately 1mm. We found that these veins improved Kc by about 50% and that the spacing of veins was optimal: if they had been more closely spaced this would not have improved the stress to failure because the tensile strength of the material would be exceeded. Propagating cracks were seen to arrest at veins; on further loading the crack first blunted and then propagated via void formation on the far side of the vein, as shown in the figure.
This experiment illustrates, in a very simple way, a concept which is applicable to all materials: the idea of a “critical distance”. I have investigated in some detail the Theory of Critical Distances as applied to engineering materials (see for example [2]). The concept that any given material possesses a critical distance L which controls fracture and fatigue behaviour can be difficult to understand when applied to materials with complex microstructures: the insect wing presents a simple, two dimensional example of the essential idea: that materials contain microstructural features which inhibit crack propagation. When considering the effect of a crack or notch it is useful to compare the physical dimensions of the feature, and of the disturbance which it creates in the surrounding stress field, with the critical distanc

Kết quả (Việt) 1:

Đới đứt gãy cơ khí: Nguồn cảm hứng từ thiên nhiênTÓM TẮT. Trong tự nhiên có rất nhiều ví dụ của vật liệu, thực hiện cấu trúc chức năng. Bản chất đòi hỏi vật liệu đó là cứng và mạnh mẽ để cung cấp hỗ trợ chống lại lực lượng khác nhau, bao gồm cả tự trọng lượng, động lực lượng tham gia vào các phong trào, và bên ngoài tải như gió hoặc các hành động của một động vật ăn thịt. Các vật liệu và cấu trúc đã phát triển qua hàng triệu năm; Khoa học Biomimetics tìm hiểu bản chất và kết quả là, để tìm cảm hứng cho việc tạo ra các giải pháp kỹ thuật tốt hơn.Hiện đã có tương đối ít công việc nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực này từ một gãy xương cơ quan điểm trên. Vật liệu tự nhiên khá giòn, và kết quả là, họ đã phát triển một số thú vị chiến lược để ngăn chặn sự thất bại của crack tuyên truyền. Mệt mỏi cũng là một vấn đề lớn cho nhiều động vật và thực vật. Trong bài báo này, một vài ví dụ sẽ được trao trong các tác phẩm gần đây tại Trung tâm nghiên cứu Bioengineering tại Trinity College Dublin, điều tra các gãy xương và mệt mỏi trong vật liệu đa dạng như tre, chân và cánh của côn trùng, và các tế bào sống.GIỚI THIỆUn này giấy (và đi kèm với bài giảng) tôi sẽ xem xét hai thuộc tính tài liệu tầm quan trọng rất quan trọng trong kỹ thuật: gãy xương sức mạnh độ dẻo dai và mệt mỏi. Tôi sẽ hiển thị kết quả đo đạc các tính chất hai trong vật liệu khác nhau và thảo luận về ý nghĩa của các kết quả cho các cấu trúc cơ khí trong đó các tài liệuđược sử dụng. Tuy nhiên, vật liệu và cấu trúc mà tôi sẽ xem xét là không từ thế giới của kỹ thuật thành phần; thay vào đó, họ đến từ thiên nhiên. Nếu chúng ta nhìn xung quanh chúng ta, chúng ta thấy nhiều tự nhiên, sinh học cấu trúc đó được chịu lực và đó là yêu cầu để hỗ trợ cơ khí và để đảm bảo độ cứng và độ bền lâu dài. Cấu trúc này không được thiết kế theo cách là bộ phận kỹ thuật được thiết kế, thay vào đó họ đã phát triển hơn hàng triệu năm. Trong một số cách những vật liệu và cấu trúc là rất khác nhau từ kỹ thuật tương đương, nhưng tuy nhiên nó có thể là thú vị và có lẽ hữu ích để nghiên cứu chúng từ một quan điểm kỹ thuật. Các nghiên cứu như vậy sáng tỏ trên các khía cạnh của thế giới mà trong đó chúng ta sống, và cũng có thể dẫn đến sự phát triển của kỹ thuật vật liệu và các thành phần thông qua một phương pháp tiếp cận Biomimetics trong đó thiên nhiên được coi là một nguồn cảm hứng và bắt đầu từ điểm cho các hoạt động sáng tạo thiết kế được cải thiện.Rất ít các công việc như vậy đã được thực hiện đến nay từ một gãy xương cơ quan điểm trên. Chúng tôi có hầu như không có bất kỳ dữ liệu trên gãy toughness (Kc) và mệt mỏi thuộc tính cho vật liệu tự nhiên, và sự hiểu biết rất ít về làm thế nào các tài liệu chống crack tuyên truyền và các cơ chế khác của sự thất bại. Trong nhóm nghiên cứu của tôi, chúng tôi đã địa chỉ vấn đề này, bắt đầu một vài năm trước đây với các công việc trên gãy xương, và di chuyển trong những năm qua với một số các cấu trúc sinh học các tài liệu khác. Trong những gì sau tôi sẽ mô tả ba dự án, bao trùm một phạm vi rộng lớn của các kích cỡ từ thực vật (mà phát triển lên một tầm cao vài mét), để côn trùng (Order of mm) và cuối cùng để các tế bào sống trong cơ thể chúng ta đâu có liên quan quy mô xuống dưới một micron.CÔN TRÙNG CÁNHHình 1 cho thấy một bài kiểm tra crack tuyên truyền thực hiện bay côn trùng-trong trường hợp này một locust. Chúng tôi cắt mẫu khoảng 10 mm x 10 mm, giới thiệu một notch chiều dài khoảng 1mm vào một bên, và áp dụng căng thẳng trục. Thông tin chi tiết có thể được tìm thấy trong một ấn phẩm tại [1]. Cánh bao gồm một tờ tài liệu mà làrất mỏng (khoảng 3m) và trong đó có các tĩnh mạch dày vật liệu chạy qua nó ở một khoảng cách khoảng 1 mm. Chúng tôi thấy rằng những tĩnh mạch cải thiện Kc khoảng 50% và khoảng cách của tĩnh mạch được tối ưu: nếu họ đã có thêm chặt chẽ khoảng cách này sẽ không đã cải thiện những căng thẳng đến thất bại vì độ bền của vật liệu nào được vượt quá. Chèn các vết nứt đã nhìn thấy để bắt giữ tại tĩnh mạch; tiếp tục tải crack đầu tiên blunted và sau đó lan truyền qua khoảng trống hình thành ở phía xa của tĩnh mạch, như minh hoạ trong hình.Thử nghiệm này minh họa, trong một cách rất đơn giản, một khái niệm được áp dụng cho tất cả tài liệu: ý tưởng của một khoảng cách"quan trọng". Tôi đã điều tra ở một số chi tiết lý thuyết khoảng cách quan trọng như áp dụng kỹ thuật vật liệu (xem ví dụ [2]). Các khái niệm rằng bất kỳ tài liệu nào sở hữu một khoảng cách rất quan trọng L điều khiển hành vi gãy xương và mệt mỏi có thể là khó hiểu khi áp dụng cho các tài liệu với phức tạp microstructures: côn trùng cánh trình bày một đơn giản, ví dụ hai chiều của các ý tưởng thiết yếu: rằng các vật liệu chứa microstructural các tính năng mà ức chế crack tuyên truyền. Khi xem xét ảnh hưởng của một crack hoặc notch nó là hữu ích để so sánh các kích thước vật lý của các tính năng và sự xáo trộn mà nó tạo ra trong lĩnh vực căng thẳng xung quanh, với distanc quan trọng

Kết quả (Việt) 2:

Cơ học phá hủy: Nguồn cảm hứng từ thiên nhiên
TÓM TẮT. Trong thiên nhiên có rất nhiều ví dụ về các vật liệu thực hiện chức năng cấu trúc. Thiên nhiên đòi hỏi vật liệu cứng và mạnh mẽ để hỗ trợ chống lại các lực lượng khác nhau, bao gồm cả tự trọng, các lực lượng năng động tham gia vào phong trào, và tải trọng bên ngoài như gió hoặc các hành động của kẻ thù. Những vật liệu và cấu trúc đã tiến hóa qua hàng triệu năm; khoa học Biomimetics tìm hiểu thiên nhiên, và kết quả là, để tìm nguồn cảm hứng cho việc tạo ra các giải pháp kỹ thuật tốt hơn.
Hiện đã có tương đối ít công trình nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực này từ một quan điểm cơ gãy xương của xem. Vật liệu tự nhiên khá giòn và, kết quả là, họ đã phát triển một số chiến lược thú vị để ngăn ngừa sự thất bại của tuyên truyền crack. Mệt mỏi cũng là một vấn đề lớn đối với nhiều loài động vật và thực vật. Trong bài báo này, một số ví dụ sẽ được trao cho tác phẩm gần đây tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Sinh học tại Trinity College Dublin, điều tra gãy xương và mệt mỏi trong các vật liệu khác nhau như tre, chân và cánh của côn trùng, và các tế bào sống.

GIỚI THIỆU

n giấy này (và bài giảng kèm theo) tôi sẽ xem xét hai đặc tính vật liệu tối quan trọng trong kỹ thuật: dẻo dai gãy và độ mỏi. Tôi sẽ hiển thị các kết quả của các phép đo của hai thuộc tính này trong các vật liệu khác nhau và thảo luận về ý nghĩa của các kết quả cho các kết cấu cơ khí mà trong đó các vật liệu
được sử dụng. Tuy nhiên, các tài liệu và các cấu trúc mà tôi sẽ xem xét là không phải từ thế giới của các thành phần kỹ thuật; thay vào đó, họ đến từ thiên nhiên. Nếu chúng ta nhìn xung quanh chúng ta, chúng ta thấy nhiều cấu trúc tự nhiên, sinh học mà là chịu lực và được yêu cầu để cung cấp hỗ trợ cơ khí và để đảm bảo độ vững chắc và lâu dài độ bền. Những cấu trúc này không được thiết kế theo cách mà các bộ phận kỹ thuật được thiết kế, thay vì họ đã tiến hóa qua hàng triệu năm. Trong một số cách mà các vật liệu và cấu trúc rất khác nhau từ tương đương kỹ thuật của họ, tuy nhiên nó có thể là thú vị và có lẽ hữu ích để nghiên cứu chúng từ một quan điểm kỹ thuật. Những nghiên cứu này đã làm sáng tỏ các khía cạnh của thế giới mà chúng ta đang sống, và cũng có thể dẫn đến sự phát triển của cải tiến kỹ thuật vật liệu và các thành phần thông qua một cách tiếp cận Biomimetics trong đó thiên nhiên được xem như một nguồn cảm hứng và điểm khởi đầu cho các hoạt động thiết kế sáng tạo.
Rất ít như vậy công việc đã được thực hiện cho đến nay từ một điểm cơ gãy xương của xem. Chúng tôi hầu như không có bất kỳ dữ liệu trên bền phá hủy (Kc) và tài sản mệt mỏi đối với nguyên liệu tự nhiên, và ít hiểu biết về cách thức các vật liệu chống tuyên truyền vết nứt và các cơ chế thất bại khác. Trong nhóm nghiên cứu của tôi, chúng tôi đã được giải quyết vấn đề này, bắt đầu từ cách đây vài năm với công việc trên các đứt gãy của xương, và di chuyển trong những năm gần đây với một số các vật liệu sinh học cấu trúc khác. Trong phần tiếp theo tôi sẽ mô tả ba dự án, bao trùm một phạm vi rộng lớn của các kích cỡ từ thực vật (trong đó phát triển lên tầm cao vài mét), côn trùng (trong thứ tự của mm) và cuối cùng là các tế bào sống trong cơ thể của chúng tôi, nơi quy mô có liên quan giảm xuống dưới một micron.
CÔN TRÙNG CÁNH

hình. 1 cho thấy một bài kiểm tra vết nứt lan truyền được thực hiện trên các cánh của loài côn trùng - trong trường hợp này là châu chấu. Chúng tôi cắt mẫu khoảng 10mm x 10mm, giới thiệu một notch chiều dài khoảng 1mm vào một bên, và áp dụng căng thẳng trục. Thông tin chi tiết có thể được tìm thấy trong một ấn phẩm gần đây [1]. Các cánh bao gồm một tấm vật liệu là
rất mỏng (khoảng 3m) và trong đó có mạch máu của vật liệu dày hơn chạy qua nó ở một khoảng cách khoảng 1mm. Chúng tôi thấy rằng các tĩnh mạch được cải thiện Kc khoảng 50% và khoảng cách của tĩnh mạch là tối ưu: nếu họ đã chặt chẽ hơn khoảng cách này sẽ không thể cải thiện sự căng thẳng đến thất bại vì sức bền của vật liệu sẽ được vượt quá. Vết nứt tuyên truyền đã được nhìn thấy để bắt giữ ở tĩnh mạch; trên tải thêm các vết nứt đầu tiên cùn và sau đó truyền qua khoảng trống hình thành ở phía xa của tĩnh mạch, như thể hiện trong hình.
Thí nghiệm này cho thấy, trong một cách rất đơn giản, một khái niệm mà có thể áp dụng cho tất cả các vật liệu: các ý tưởng của một "khoảng cách rất quan trọng". Tôi đã điều tra ở một số chi tiết các học thuyết về Khoảng cách quan trọng như áp dụng cho các tài liệu kỹ thuật (xem ví dụ [2]). Khái niệm rằng bất kỳ tài liệu được sở hữu một khoảng cách L quan trọng mà điều khiển gãy và hành vi mệt mỏi có thể khó hiểu khi áp dụng cho các vật liệu có vi cấu trúc phức tạp: từ cánh côn trùng trình bày một cách đơn giản, hai ví dụ chiều của các ý tưởng thiết yếu: đó là vật liệu có các tính năng cấu vi ức chế lan truyền vết nứt. Khi xem xét các tác động của một vết nứt hoặc notch nó rất hữu ích để so sánh kích thước vật lý của các tính năng, và những xáo trộn mà nó tạo ra trong lĩnh vực căng thẳng xung quanh, với distanc quan trọng