第一种构型:传统六股绞绳式。衰减18%。
第二种构型:密排层叠式。衰减15%。
第三种构型:分级预应力绞合式。衰减12.7%。
三根数字像三枚钉子。
“单丝拉伸强度6.35个GPa,这个数字没有水分。ISO盲检确认过了。”赵长林站在投影幕前,两手撑着讲桌边沿——他的习惯姿势,“但一旦进入成缆构型,纤维之间的力学耦合把性能吃掉了。弯曲半径低于临界值的单丝先断,断裂载荷转移到相邻纤维,引发链式失效。”
他把翻页器搁下。
“问题不在我的碳纤维。问题在于,碳纤维不是钢——钢丝弯折了还能塑性变形,碳纤维弯折过头就是断。所有钢缆的编织经验在这里全部失效。”
会议室里安静了十来秒。
马国庆先开口。他这个人不绕弯子,有什么说什么。
“赵教授,我在船上待了大半辈子,锚链缆绳经手的不下几百种。有一个思路——钢芯碳纤维混合缆。中间用高强度钢丝束承担弯曲应力,外层包裹碳纤维承担轴向拉力。各干各的活。”
赵长林摇头。动作干脆,没有犹豫的余量。
“那跟钢缆有什么区别。加了碳纤维外套的钢缆还是钢缆。自重省不了多少,核心力学特征没变。我做这根缆是要替代钢——不是给钢穿外套。”
马国庆不说了。他听得出赵长林的意思:妥协方案不考虑。
两个结构工程师翻着手头的材料,没有发言。12.7%的衰减意味着主缆截面积需要放大至少两倍才能满足设计载荷——那碳纤维轻量化的优势就荡然无存了。不如直接用钢缆。
冷场了。
投影幕上那三组红色数字很刺眼。
视频连线画面里,陈默一直没出声。他的镜头角度偏低,能看到他坐在一张堆满零食袋的桌子后面,屏幕上有好几个终端窗口开着,手指偶尔在键盘上敲几下。
忽然他说话了。
“赵教授。”
赵长林转头看屏幕。
“蜘蛛丝的拉伸强度不如你的碳纤维。但蛛网的整体韧性比任何人造缆绳都强。原因是什么?”
赵长林愣了一下。
这个问题来得太远了。远到跟会议桌上的数据隔了整整一个学科的距离。
但赵长林的脑子比大多数人转得快。他停了两秒。
“螺旋结构。蛛丝的微观构型是β-折叠蛋白和无定形蛋白的交替螺旋排列。应力作用时无定形区吸收弯曲能量,结晶区承担拉伸——”
他停下来了。
不是因为讲不下去。是因为他自己听到了答案。
“你的意思是——不做平行排列,做螺旋。”
陈默把摄像头抬高了一点,脸终于完整出现在画面里。看上去至少四十个小时没睡——眼睛底下那两团青黑色不会骗人。
“三种失败构型的共同特征是什么?纤维基本沿轴向平行排列,绞合只是为了增加截面的几何稳定性。但碳纤维的脆性弱点恰好在弯折——平行排列意味着外层纤维的弯曲半径最小,最先断。”
他在自己的屏幕上调出一张GIF动图—蛛丝在拉伸时的微观变形过程。
“蜘蛛用了三亿年进化出来的答案:不要对抗弯折,要利用弯折。螺旋结构在轴向拉伸时,螺旋收紧,纤维间的侧向挤压力变成了径向预紧力——压得越紧,束得越牢。弯折应力被转化成了增强结构整体刚度的有利因素。”
赵长林的两只手从讲桌边沿松开了。他在口袋里翻了翻,掏出那张皱巴巴的纸片,翻到空白面,拿铅笔画了一个粗糙的螺旋截面。
“双股螺旋?”
“不够。”陈默的键盘声响了起来。“我需要跑模型。给我十二个小时。”
苏哲看了一眼时间。下午三点十四分。
“敦煌B集群已经腾出来了。去吧。”
陈默的视频窗口黑了。最后画面是他伸手去够一袋没拆封的薯片——大概是未来十二小时的全部伙食。
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赵长林没回实验室。他在会议室的白板上画了四个小时的图。一根接一根的螺旋截面草图铺满了三块白板,地上扔了六根记号笔的空壳。
马国庆在旁边搬了把椅子坐着看。看了两个小时以后他说了句:“赵教授,吃点东西。”
赵长林没听见。或者听见了但脑子里没腾出处理这句话的带宽。
晚上八点,马国庆去食堂打了两份盒饭回来。赵长林把饭盒搁在白板下面的地台上,蹲着扒了几口,另一只手还在白板上标注应力分布箭头。
凌晨一点,苏哲的手机响了。
陈默。
“跑了一百七十六种构型。”
苏哲坐起来。
“一百四十三号是个异类。双螺旋嵌套结构——大螺旋由七股子缆组成,每股子缆内部又是十九根单丝的小螺旋。两级螺旋的旋向相反。轴向拉伸时,大螺旋产生右旋扭矩,小螺旋产生左旋扭矩,两个扭矩互相抵消——缆体不会自旋解散。同时,双螺旋的嵌套效应让纤维间的接触从线接触变成面接触,摩擦界面均匀分布。”
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