2.5 高刚度结构
——蜻蜓翅膀

很多昆虫的翅膀具有良好的减振降噪特性、抗弯刚度、飞行特性、超强的自清洁特性和抵抗疲劳的能力，而这一切源于它们内部的微观结构形式。

众所周知，蜻蜓具有优异的飞行能力，它巧妙地利用空气所产生的不同气压流，调整左右两侧膜翅的角度和方向，使得其在受到较小的作用力下就可以翱翔于天空。它具有如此高超的飞行能力是得益于其翅膀结构、形态等多方面的配合。蜻蜓翅膀本身所具有的多种功能特性相辅相成。其中，飞行特性是其主要功能特性之一。显然，消振降噪、自清洁和抗疲劳等功能特性对于辅助飞行特性至关重要，对蜻蜓卓越的飞行特性起到不可缺少的辅助作用。

蜻蜓共包含一前一后两对翅膀，为了更有利于飞行，前翅膀的外轮廓和后翅膀的外轮廓呈流线形，羽翼的外边缘轮廓呈现锥形。羽翼展开后可用肉眼看出其上分布许多不均匀排布的翅脉，纵横交织形成许多封闭的微小翅室，翅室内部布满了翅膜。整个翅膀的结构就像布满了网格一样。蜻蜓翅脉这种多层中空结构轻量化与抗疲劳特性，为工程领域中管类构件的轻量化设计提供了重要的参考依据，同时为易疲劳部件的仿生止裂设计提供了重要的生物学基础。

从图2-6可看出，纵脉在羽翼展开的方向上，纵横交错的翅脉将羽翼划分成多个不规则的四边形和若干三角形结构，整体呈现凹凸次序排列。距离翅尖和翅膀的后边缘越近，所形成的网格边数越多则越稠密，该分布使整个翅膀形成了一种三维类桁架构形。该特殊的构形使得惯性矩大幅度下降，进而使得蜻蜓在振动翅膀时所需的能量大大减少，随之翅尖所受的应力也相应减小；另一方面，使蜻蜓在快速飞行或受到外物冲击时，可以及时地调整飞行姿态，通过调节自身的应力和能量来适应飞行环境的变化。

进一步放大蜻蜓翅膀，还可观察到蜻蜓翅膜表皮的最外层有一层厚度约为0.6μm的蜡质材料层，约为翅膜表皮厚度的1/3，如图2-7所示。构成翅膜表面蜡层的纳米尺度蜡柱的分布是随机的，且其表面的凹槽刻纹结构沿蜡柱轴向对称。这种凹槽刻纹结构使得水滴浸润蜻蜓翅膀的压强限值提高到了一倍以上，雨天雨滴下落产生的平均压强值低于这一数值。除此之外，当水滴与这种凹槽刻纹结构之间保持着较大的接触角，使得翅膀上的翅膜很难被雨滴润湿。可见，由于蜻蜓翅膀表面的自清洁功能，翅膀表面的水滴滚落能够带走污染物，保持翅膀的干洁性，有利于蜻蜓减轻体重，提高飞行时的速度，从而大幅度提升飞行质量，强力保证蜻蜓翅膀飞行特性的稳定。

再进一步放大蜻蜓翅膀，可以揭秘蜻蜓翅膀的抗疲劳能力。蜻蜓能在恶劣的环境下飞行很长时间并且安然无恙是有原因的。蜻蜓翅膀具有非常好的强韧性和承载能力，它可以飞行千米以上不停歇，并且在飞行过程中消耗最少的能量，这都需要归功于其良好的抗疲劳性能 ^[10] 。翅膀不仅可经受交变应力的作用，抵御气流的摩擦，承受长途飞行的疲劳，而且翅膀特殊的网格形态能对变化应力产生的疲劳裂纹起到止裂作用。如图2-8所示，在翅中部及后缘附近的区域（图2-8a和b中的B、C区域），可以发现翅脉是一种具有类似“三明治”的夹层结构（图2-8d），此结构可以使蜻蜓在高频率的振翅过程中承担较大的扭转变形，从而保证疲劳裂纹的产生。

除此之外，蜻蜓翅膀还具有消振降噪的功能特性。从机械学角度讨论，蜻蜓翅膀长而薄，振动飞行甚至滑行时，容易产生颤振。弹性结构在均匀液/气流中受到液/气体惯性力、动力和弹性力的耦合作用而发生的大幅度振动被称为颤振 ^[12] 。颤振会造成结构破坏，但翅痣在拍翼时会出现在翅膀向后弯曲的地方，而翅膀质量中心线恰好在转轴的后面致使翅膀拍翼时受到颤振的影响比较大，因此颤振的影响被消除并且临界飞行速度可提升10%~25%，所以蜻蜓可以很安静地飞行。翅痣位于蜻蜓每片翅膀的前缘翼尖处，可消振降噪。

基于以上蜻蜓翅膀的微结构特性，许多仿生学家进行了大量的试验与研究，设计了许多轻质多功能的仿生结构。通过研究蜻蜓的翅膀，研制出了能消除颤振危害的飞机机翼。在飞机高速飞行时，飞机的翅膀都会发生颤振现象，即飞机的翅膀会不由自主地振动，这种有害的振动会造成翼折人亡的惨剧。蜻蜓的翅膀边上有一块较重的褐色的厚片，可以保持飞行时的平稳。若把蜻蜓翅膀上的黑痣去掉，蜻蜓飞起来就会荡来荡去，飘忽不定，并且发出嗤嗤的扑翅声。根据蜻蜓翅痣的原理，在飞机翅膀上也设计了加厚的平衡重锤，有效地消除了飞机颤振的危害。

在仿生建筑中，许多空间悬挑网格结构设计中模仿蜻蜓起拱和起皱结构，从而有效地提升了抗弯刚度 ^[11] 。蜻蜓翅脉类似“梁”，翅膜类似“薄壳”，在仿生建筑中，“梁壳”协同作用，共同承受外力，有助于提高悬臂结构的刚度。 RLO15IpG8AAupp9B3mYSeqwNVwJcZo4VKOvCSDO4jRXv/YJtw1EjA0NqGTC0mwyR