بخشی از مقاله
چکیده
اگرچه بالهای حشرات از لحاظ شکل ظاهری متفاوت به نظر می رسند ولی اغلب آنها در این ویژگی که از شبکهای از رگهها در یک ماتریس شفاف، موسوم به پوسته ساخته شدهاند، مشترک می باشند. رگهها در بال حشره بسته به سایز، شکل و موقعیت خود به سه دسته رگه های طولی، عرضی و محیطی تقسیم میگردند. شکل این رگهها و نحوه اتصال آنها به یکدیگر تاثیر فراوانی بر تغییر شکلهای بال در حین پرواز حشره دارند. که این تغییر شکلها نقش بسزایی را در افزایش قابلیت پرواز حشره ایفا می کنند. در بین حشرات، خانواده سنجاقکها از آن دسته حشراتی هستند که قابلیتهای پرواز منحصر به فردی دارند، از جمله قدرت مانورپذیری بالا، توانایی پروازهای طولانی و همچنین توانایی تحمل نیروهای خارجی نسبت به جثه حشره را در شرایط مختلف دارا میباشد.
در این پژوهش دو روش مدلسازی عددی و آزمایش های تجربی برای بررسی رفتار بال سنجاقک به کار گرفته شده است. از این رو مدلهایی با الگو برداری از بال سنجاقک طراحی خواهند شد که به بررسی عملکرد بهینه بال خواهد پرداخت. نرم افزار المان محدود اباکس جهت مقایسه رفتار این مدلها تحت اثر بارهای خمشی قرار گرفته میشود. مدلهای ساخته شده از بال جهت انجام بررسیهای دقیق تحت بارگذاری خمش رو به پایین و خمش رو به بالا قرار گرفته و نتایج حاصل، جهت صحت سنجی نتایج عددی استفاده خواهند گردید.
.1مقدمه
بالهای حشرات به عنوان اندامهای پرواز، مهمترین عامل پرواز محسوب شده و طراحی دقیق و حساب شدهای دارند. آنها سازههای کامپوزیتی بسیار سبک وزن هستند که در طول عمر حشرات تحت تأثیر نیروهای خارجی مختلفی قرار دارند، پس باید در طول عمر خود پایداری مطلوبی داشته باشند. بالها سبب میشوند که حشرات پروازی نرم و پایدار برای مدتی نسبتاً طولانی داشته باشند و این شرایط در حالی میباشد که در حین پرواز، نیاز به سرعت و قدرت مانورپذیری مطلوبی دارند، که این نیاز با کمال طراحی خلقت بال برطرف شده است.
این سازه سبک و مقاوم میتواند نیروهای آیرودینامیکی بسیار بیشتر از وزن خود را تحمل کند و از آنجا که ساختار بالهای حشرات بسیار ترد و شکنندهاند نباید استحکام خود را از دست بدهند.[1] بنابراین طراحی بال به عنوان اصل اولیه در پرواز موفق حشرات مورد توجه قرار میگیرد. سنجاقکها از معدود حشراتی هستند که قابلیت پرواز طولانی و حتی مهاجرت را دارند. بنابراین بررسی بالهای این گروه از حشرات سریع و چابک با قابلیتهای پرواز عالی، همچنین طراحی منحصربه فرد آنها، بسیار جالب و هدفمند به نظر میرسد. بال- های حشرات از دو بخش اصلی به نامهای پوسته و رگه تشکیل شدهاند.[2] رگه ساخته شده از پلیمرهای زنجیرهای بلند به نام کیتین1 است که از پوسته در برابر بارهای خمشی و پیچشی وارده به بال حفاظت میکند.
در بال حشرات، رگه را میتوان به سه دسته تقسیمبندی کرد: رگه محیطی، رگه طولی، رگه عرضی.[3] رگه محیطی دور تا دور بال کشیده شده است و آن را دربرمیگیرد. رگه طولی در طول بال کشیده شده است نقش مهم در حمل وزن بال و همچنین نیروی خمشی دارد، رگه عرضی دارای طول کوتاهی میباشد که پوستههای بال را احاطه میکند. پوسته تشکیل دهنده بال به طور کل از سه لایه اصلی تشکیل شده است و با ضخامتهای مختلف در سرتاسر بال گسترده شدهاند. ضخامت رگه و پوسته از ابتدای بال به سمت انتهای بال، با افزایش همراه است.
[4] این روند از افزایش ضخامت پوسته به گونهای است که بال بتواند بهترین عملکرد را با صرف کمترین انرژی و تحمل بیشترین مقدار تنش داشته باشد و همچنین بال میتواند به راحتی نیروی ناشی از وزن خود بال و نیروی دینامیکی وارده از طرف هوای اطراف را تحمل کند در شکل1 نمونهای از بال سنجاقک نشان داده شده است که میتوان رگه، خطوط سیاه با ضخامتهای مختلف، و پوسته، سطحی که توسط رگهها احاطه شده است را مشاهده کرد. در شکل 1-1 پوستهای به رنگ سیاه در نوک بال دیده میشود. این پوسته که نسبت به پوستههای دیگر ضخامت بیشتری دارد، با جابجایی مرکز جرم کل بال به سمت لبه بالای بال، پایداری پرواز را افزایش میدهد.[3] عوامل مؤثری بر روی عملکرد بالهای حشرات تأثیرگذارند، از جمله گره1، مثلث2، مثلث بالایی3 و آرکیولوس4 که در شکل 1 مشخص شدهاند.
نمونهای از بال سنجاقک تشکیل شده از دو جزء اصلی رگه و پوسته
در سال 1989 میلادی؛ ووتن5 و انوس6 عملکرد ناحیه آرکیولوس در بال حشرات را توصیف کردند5]و.[6 آنها از مدلهای سادهکاغذی، تغییر شکل بال در پرواز را بررسی کردند.[7] نتیجه این مطالعه نشان داد که ناحیه آرکیولوس سهم زیادی در پیچش بال حشرات دارد.در ادامه ووتن با همکاری نیومن7، هفت مدل از بال سنجاقکهای مختلف را بررسی کرد. آنها در ابتدا مدلهای کاغذی را ساختند و با استفاده از مدلهای بیشتر، توانستند مکانیزم عملکرد بال سنجاقکهای مختلف را بررسی و مقایسه کنند. مدلهای کاغذی دارای محدودیتهایی در تغییر شکل، شامل رگهها و همچنین تعیین خواص ماده مناسب بودند. آنها در این مطالعه به ارائه بینش عمیقتر به الگوی تغییر شکل و توزیع تنش در قسمت ابتدایی بال سنجاقکها پرداختند.[8]
