本文關(guān)鍵詞：王棕組織多尺度結(jié)構(gòu)力學(xué)建模方法及仿王棕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究　出處：《華南理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：在植物進(jìn)化過程中,個(gè)體生長與生態(tài)環(huán)境的相互影響、相互作用,使得植物體對(duì)該環(huán)境做出最優(yōu)適應(yīng)性狀態(tài)。人類直接與間接運(yùn)用植物器官對(duì)自然界力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性結(jié)構(gòu)是創(chuàng)造性解決一些工程問題的途徑,但只有準(zhǔn)確理解了天然植物材料的成分、結(jié)構(gòu)對(duì)其所具備的優(yōu)勢(shì)性能的影響方式,才能成功地對(duì)植物材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合運(yùn)用,才能實(shí)現(xiàn)基于植物材料與結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)。本文以這種思想為指引,首先對(duì)王棕組織進(jìn)行了多尺度力學(xué)建模研究,并且利用多尺度模型分析了其結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系,最后在此基礎(chǔ)上提出了仿王棕力學(xué)行為的兩種蜂窩結(jié)構(gòu),并討論了這兩種結(jié)構(gòu)在風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)合主梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,具體內(nèi)容包括:微觀尺度下,糾正了細(xì)胞壁理論建模研究對(duì)植物解剖學(xué)定義的盲從,通過將植物細(xì)胞壁S1層與S2層之間的過渡區(qū)域——中間層引入細(xì)胞壁彈性力學(xué)建模及其干縮濕脹變形及吸水軟化行為建模研究中,發(fā)現(xiàn)其對(duì)縱向與橫向彈性模量的預(yù)測(cè)精度上較傳統(tǒng)模型分別提升了80%與11%,并且考慮中間層后的細(xì)胞壁同心圓模型也能更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)細(xì)胞壁吸水后的軟化及縱向上的收縮變形,獲得不同相對(duì)濕度下的結(jié)果數(shù)據(jù)。修正的細(xì)胞壁力學(xué)模型為植物中尺度下的力學(xué)建模及研究奠定了基礎(chǔ)。中尺度下,參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)及中間層細(xì)胞壁力學(xué)模型建模結(jié)果,確立了不同濕度下細(xì)胞壁的力學(xué)、物理參數(shù);在Delaunay三角化的基礎(chǔ)上提出并實(shí)現(xiàn)了面積權(quán)重分割算法,對(duì)王棕葉鞘維管組織多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二維重建,并且利用重建結(jié)果進(jìn)行三維王棕葉鞘維管組織代表性單元以及單根維管束幾何模型的建立,對(duì)兩種模型的力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算;考慮含水率及濕度的影響,針對(duì)兩種模型分別設(shè)計(jì)了王棕葉鞘組織樣品及單根維管束樣品的拉伸力學(xué)試驗(yàn),在不同濕度下,試驗(yàn)測(cè)量縱向彈性模量與仿真計(jì)算值基本一致,仿真計(jì)算中代表性單元模型等效應(yīng)力分布中薄弱區(qū)域也與實(shí)際樣品最終失效位置吻合,所以中尺度維管組織有限元模型能夠預(yù)測(cè)王棕葉鞘組織的力學(xué)行為。利用驗(yàn)證后的有限元模型研究了各區(qū)域?qū)S管組織靜態(tài)及動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的影響,總的來說,不論是靜態(tài)載荷下還是動(dòng)態(tài)載荷下,各區(qū)域的布置精巧地應(yīng)對(duì)了各個(gè)方向、各個(gè)應(yīng)變率及各個(gè)應(yīng)變大小下的載荷,并且各區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的功能各有分工,是王棕葉鞘組織在長期進(jìn)化時(shí)對(duì)周圍力學(xué)環(huán)境適應(yīng)過程中反復(fù)調(diào)整、改善及優(yōu)化的結(jié)果。宏觀尺度下,借助中尺度有限元模型與密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)提供的材料屬性,對(duì)王棕分枝結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示王棕分枝從葉鞘到葉柄的材料性能梯度分布可以提高整體力學(xué)柔順性,降低對(duì)內(nèi)外側(cè)分枝及主干的壓力,保證了中性面上更小更均勻的切應(yīng)力分布。分枝結(jié)構(gòu)從葉柄到葉鞘組織增大的泊松比數(shù)值加劇了葉鞘段接觸表面的耦合變形,從而增強(qiáng)了摩擦耗能。所以,分枝結(jié)構(gòu)組織彈性模量與泊松比的梯度分布對(duì)分枝結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能各有貢獻(xiàn)。效仿王棕通過調(diào)整組織中硬化區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)來控制不同組織泊松比的方法,本文提出了采用空白區(qū)域釋放耦合變形的思路,并且利用空白約束機(jī)理創(chuàng)造出一種零泊松比RSRE(解釋全稱)網(wǎng)格結(jié)構(gòu),用試驗(yàn)、仿真的方法證明了其二維下的零泊松比性能,并且揭示了RSRE三維層合結(jié)構(gòu)的三維零泊松比的能力,揭示了RSRE蜂窩結(jié)構(gòu)在彎曲變形時(shí)的低泊松效應(yīng),驗(yàn)證了其降低層合結(jié)構(gòu)中層間切應(yīng)力的作用。效仿王棕分枝結(jié)構(gòu)的剛度分配策略,構(gòu)造了仿生角梯度蜂窩結(jié)構(gòu),其從內(nèi)到外彈性模量升高,從外到內(nèi)剪切模量升高,采用試驗(yàn)驗(yàn)證過的有限元方法,從單列單元到整體蜂窩網(wǎng)格、從靜態(tài)載荷到動(dòng)態(tài)載荷對(duì)仿生角梯度蜂窩的抗剪性能進(jìn)行了全方位分析,其切應(yīng)力分布均優(yōu)于同質(zhì)量的正六邊形蜂窩。在此基礎(chǔ)上結(jié)合RSRE零泊松比網(wǎng)格,提出了一種風(fēng)力機(jī)葉片復(fù)合主梁的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案:RSRE零泊松比蜂窩擔(dān)當(dāng)復(fù)合橫梁芯層,仿生梯度蜂窩擔(dān)當(dāng)復(fù)合腹板芯層,并且在靜、動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)與彎扭耦合載荷仿真試驗(yàn)下對(duì)不同模型不同位置的切應(yīng)力、切應(yīng)變分布及對(duì)應(yīng)受載模式的其他力學(xué)行為進(jìn)行了研究,在主梁個(gè)體受載與裝入葉片后整體受載的分析結(jié)果顯示:RSRE零泊松比網(wǎng)格與仿生梯度蜂窩設(shè)計(jì)方案切應(yīng)力分布比正六邊形蜂窩更小、更均勻。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：Q811

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本文編號(hào)：1309472