3.4 中空薄壁结构
——竹子

竹子是中空薄壁结构最具代表性的一种结构 ^[9] ，其主要分布的三大竹区（亚太竹区、美洲竹区、非洲竹区）分别位于北纬46°至南纬47°之间各个大陆的亚热带、暖温带及热带地区。

像竹子这种生长极其迅猛的植物需要一种保持轻量的同时将材质最小化的方式，才能够保证达到一定高度的同时不被自身重量压垮，图3-9所示为竹子的中空薄壁结构及剖面示意图，从图3-9b可看出，竹子由竹节、空腔、竹壁、横膈和节间五部分组成。竹子的空心管状结构有效地保证了其自身的硬度，竹子和人体骨骼一样，由一些极细的管状组织组成，这些管状组织由纤维束组成，纤维束则由更为纤细的纤维束组成，以此类推。将一根竹子层层分解，直至纳米大小的纤维，便得到了另一种长链状分子——纤维素。竹纤维因其优异的力学性能和管束胞壁结构而被广泛应用于建筑乃至竹缠绕管道等领域 ^[10] 。

与其他木材相似，竹子也是由纤维素、半纤维素和木质素组成的天然长纤维增强复合材料。但不同的是，竹子的构造更精巧，性能更优越，弹性模量和强度是一般木材的两倍。在数以万计的植物当中，竹子可以说是一种典型的、具有良好力学性能的轻质高效生物体结构，刚度高、强度大且性能稳定。竹子的比刚度比钢材高2~5倍，但密度比钢材小10倍，只有0.55~1.15g/cm ³ 。同时，竹子的细长比低至1/260~1/160，这是常规生物结构或机械结构都难以达到的。竹子力学性能如此优越，与其缜密和规律的微观结构形式是分不开的，图3-10（见彩插）展示了竹子的微观结构特征 ^[11] 。

竹节间的竹壁由竹纤维组成的维管束和薄壁细胞组成的基体组成。其中，竹材维组成的维管束被认为是竹材的观察特征。对竹材横切片在显微镜下观察维管束和基体组织的分布情况，图3-11所示为竹子的截面微观组织形态，从图3-11a中可看出，靠近竹壁外侧的维管束形态较小且分布密集，基体组织所占的比例较小，从竹壁的外侧沿径向方向到竹壁的中部，维管束的分布逐渐稀疏，且维管束的形态逐渐变大。相反，基体组织所占的比例逐渐变大，到竹壁内侧维管束的分布比较稀少，大部分为基体组织，整体上其横截面维管束呈梯度状态分布。从显微结构中观察，竹壁内的厚壁细胞和薄壁细胞是两种形态结构不同的细胞，它们分别构成了维管束和基体，如图3-11b所示。从力学角度出发，这两种细胞分别承担着不同的角色。由以薄壁细胞为主体组成的基体组织承担着传递载荷的作用，而由以厚壁细胞为主体组成的维管束起着关键的承载作用，对竹子的弯曲强度等力学性能具有重大的贡献，可以理解为竹子的轴向加强筋。竹子的力学性能很大程度上取决于维管束的含量及分布情况 ^[12-14] 。

竹子在很多领域都被广泛应用，本节主要介绍竹子特殊的微观结构所具有的特殊力学性能方面的应用，其他的中空薄壁结构植物与竹子大致类似。

竹子特殊的中空微结构使竹子具有独特的力学性能，因此竹子被广泛应用在轻量化和一些特殊设计中，用以代替传统结构材料。国内学者主要集中于竹材的物理力学性能测试、竹杆件抵抗变形的能力、连接试验、竹屋架试验等研究。当竹材干燥时，连接的竹杆会产生较大的变形，强度会大大降低，不适合用于永久性建筑 ^[15] 。另外，工程上存在的内腔结封闭或半封闭的小直径细长管结构中部分属于关键承力结构的内腔结构对使用安全起到了极其重要的作用。内腔结构具有重量轻等多项优异性能，在航空航天领域备受青睐。同时，内腔结构的封闭性特点使腐蚀介质难以进入，延长使用寿命。

此外，将竹子中空微结构特征与仿生学相结合，并应用到机械、汽车等领域，也会得到超乎意外的灵感。比如一种由吸能盘和保险杠横梁组成的保险杠系统，便是仿造了竹子结构。后圆弧形面板、盖板、前圆弧形面板三部分构成了保险杠横梁，并且保险杠横梁轮廓上焊接有若干个仿竹结构加强筋。仿生吸能盒包含三部分结构：仿生内管、约束筋板和仿生外壳。其中，仿生外壳和仿生内管均是具有相同内径和不同壁厚的变壁厚六边形管，壁厚自上而下逐渐增大，它们通过六个均匀圆周分布的约束筋板连接。保险杠横梁的仿竹结构加强筋能够提高车辆碰撞性，增强仿生吸能盒吸收能量的能力，同时降低碰撞应力峰值。仿生吸能盒与保险杠横梁的完美融合使得保险杠比之前更轻便高效 ^[16] 。 n4Stj6KHa5zMaCA6hxhUCNN7bMc46vnw6sfHHiO1mK1BJofOtwgpa/LeVRMmcqBM