本文關(guān)鍵詞：啄木鳥頭顱結(jié)構(gòu)抗沖擊力學(xué)機(jī)理，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：自然界是人類最好的老師,人類的大部分發(fā)明創(chuàng)造源于自然的啟發(fā)。在長(zhǎng)期的進(jìn)化中,生物體形成了特殊的材料和結(jié)構(gòu),在某些特定功能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人造材料。人們學(xué)習(xí)并利用自然的過(guò)程中誕生了仿生學(xué),目前仿生已經(jīng)成為一種重要的科學(xué)研究手段,并在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域發(fā)揮作用。高速?zèng)_擊和碰撞是生活中經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象之一,通常會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)和材料產(chǎn)生嚴(yán)重破壞,耐沖擊與抗震結(jié)構(gòu)在工程中有重大需求。在航空航天領(lǐng)域,氣流有時(shí)會(huì)引發(fā)高速運(yùn)行的飛機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng),同時(shí)與太空垃圾可能的碰撞也是影響飛行安全的潛在因素；在汽車工業(yè)中,碰撞幾乎不可避免,而且這種碰撞極易對(duì)內(nèi)部的乘客造成損傷；在容易發(fā)生劇烈碰撞的體育比賽中,對(duì)頭顱和大腦進(jìn)行抗沖擊保護(hù)也是一個(gè)重要的問(wèn)題。在最近幾十年里,人們針對(duì)抗沖擊碰撞結(jié)構(gòu)展開了一系列的研究,有許多集中在結(jié)構(gòu)和材料的吸能減振方面。 啄木鳥是一種以啄木為生的鳥類,在高頻和高速啄木過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)任何大腦損傷,這種特殊的抗沖擊減振能力引起科學(xué)家極大興趣與關(guān)注。本文以啄木鳥的啄擊過(guò)程為研究對(duì)象,采用力學(xué)方法對(duì)啄木鳥反復(fù)啄木沖擊過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真分析,包括頭顱和全身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力波傳播和能量流動(dòng),重點(diǎn)關(guān)注頭顱結(jié)構(gòu)的抗沖擊特性、防共振特性以及沖擊能量在身體結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)化規(guī)律和頭顱結(jié)構(gòu)吸能原理。論文第一章綜述了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀,之后從以下幾方面展開： 第二章,針對(duì)啄木鳥頭骨微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。通過(guò)納米壓痕實(shí)驗(yàn)測(cè)定了頭骨表面的彈性模量分布,使用掃描電鏡觀察了頭骨的內(nèi)部微結(jié)構(gòu),并對(duì)材料分布以及頭骨微結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力波傳播的影響進(jìn)行了討論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,沿矢狀面和冠狀面方向,頭骨的彈性模量呈現(xiàn)出類似正弦曲線的非均勻變化,上下限分別為12GPa和4GPa。對(duì)粘彈性桿的應(yīng)力波傳播分析表明,粘彈性材料參數(shù)的變化會(huì)影響應(yīng)力峰值的變化和分布,通過(guò)計(jì)算和類比發(fā)現(xiàn),啄木鳥頭骨的材料分布能夠最大程度地保護(hù)大腦。頭骨的微結(jié)構(gòu)觀察顯示,沿啄擊應(yīng)力的傳播方向,頭骨內(nèi)部呈現(xiàn)不同形式的微孔結(jié)構(gòu),對(duì)孔結(jié)構(gòu)形態(tài)和布局進(jìn)行的分析表明,矩形單孔的結(jié)構(gòu)吸能效果更優(yōu),這也是在啄木鳥頭骨中出現(xiàn)最多的孔型結(jié)構(gòu)。 第三章,采用逆向工程技術(shù)的方法建立了啄木鳥頭顱的有限元模型,并進(jìn)行了精細(xì)的網(wǎng)格劃分,重點(diǎn)研究了單次啄擊產(chǎn)生的應(yīng)力波在頭顱中的傳播情況。結(jié)果顯示沖擊應(yīng)力波大部分通過(guò)上鳥嘴傳遞,啄木鳥的穹形頭骨以及舌骨等結(jié)構(gòu)有效地分散了應(yīng)力波的傳播,避免了應(yīng)力集中。材料的粘彈性使得應(yīng)力能夠在頭顱中快速地衰減,頭骨內(nèi)部和大腦內(nèi)部的應(yīng)力峰值均處于安全水平,不會(huì)產(chǎn)生頭顱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞。 第四章,從模態(tài)振型和固有頻率的角度分析了啄木鳥頭顱的防共振與抗沖擊原理,將信號(hào)處理技術(shù)中的頻譜分析與應(yīng)力分析相結(jié)合,得到應(yīng)力分量的頻率特征。對(duì)頭顱的模態(tài)分析結(jié)果顯示,頭顱的振動(dòng)以大腦的局部振動(dòng)為主,前三十階振型以旋轉(zhuǎn)或組合旋轉(zhuǎn)振型為主；頭顱的基態(tài)固有頻率、大腦沖擊應(yīng)力分量的頻率,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鳥的啄木工作頻率,這些因素使得啄木鳥在平動(dòng)啄木時(shí)大腦不易發(fā)生共振。計(jì)算同時(shí)顯示,舌骨的收縮預(yù)緊力,能夠顯著提高頭顱的固有頻率,最大提升21.3%,這使得頭顱固有頻率進(jìn)一步遠(yuǎn)離啄木鳥的啄木工作頻率,這一發(fā)現(xiàn)與啄木鳥在啄擊前收縮舌骨的實(shí)際觀察相符合。 第五章,創(chuàng)建了包含身體在內(nèi)的啄木鳥全身模型,對(duì)連續(xù)啄擊過(guò)程中的應(yīng)力、能量轉(zhuǎn)化和結(jié)構(gòu)吸能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,碰撞時(shí)刻頭顱部分應(yīng)力較大,其他時(shí)刻身體對(duì)應(yīng)力傳遞起到了緩沖作用,顯著減小了頭顱應(yīng)力。啄木鳥用于啄擊的能量大部分儲(chǔ)存在身體中,能量得以重復(fù)利用,只有很少一部分進(jìn)入頭顱；進(jìn)入大腦的啄擊能量大部分以熱能的形式耗散掉,并引起大腦的升溫；頭顱內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)大腦形成了多級(jí)保護(hù),有效地減少了大腦的應(yīng)力和變形。這一章節(jié)的研究被作為封面文章刊登在《中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》雜志2014年第7期。
【關(guān)鍵詞】：啄木鳥 抗沖擊 減振 應(yīng)力分析 能量轉(zhuǎn)化
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：Q811
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• TABLE OF CONTENTS11-13
• 圖目錄13-15
• 表目錄15-16
• 主要符號(hào)表16-17
• 1 緒論17-32
• 1.1 振動(dòng)研究概述17-18
• 1.2 振動(dòng)控制與沖擊防護(hù)18-22
• 1.2.1 隔振與減振原理18-20
• 1.2.2 粘彈性阻尼減振結(jié)構(gòu)20-21
• 1.2.3 沖擊吸能結(jié)構(gòu)21-22
• 1.3 啄木鳥減振研究22-30
• 1.3.1 啄木鳥啄擊行為22-25
• 1.3.2 啄木鳥相關(guān)力學(xué)研究25-28
• 1.3.3 力學(xué)與仿生28-30
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容30-32
• 2 啄木鳥骨微納結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能32-63
• 2.1 頭顱結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測(cè)試32-40
• 2.1.1 納米壓痕方法32-34
• 2.1.2 頭顱材料力學(xué)性質(zhì)34-40
• 2.2 材料分布對(duì)應(yīng)力波的影響40-52
• 2.2.1 粘彈性介質(zhì)中應(yīng)力波的傳播40-45
• 2.2.2 材料參數(shù)變化對(duì)應(yīng)力波的影響45-52
• 2.3 啄木鳥頭骨微結(jié)構(gòu)52-62
• 2.3.1 微結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)選53-56
• 2.3.2 微結(jié)構(gòu)布局優(yōu)選56-58
• 2.3.3 骨結(jié)構(gòu)的宏觀均勻化58-62
• 2.4 小結(jié)62-63
• 3 啄木鳥頭顱動(dòng)態(tài)沖擊分析63-86
• 3.1 頭顱結(jié)構(gòu)幾何建模63-69
• 3.1.1 逆向工程建模63-65
• 3.1.2 啄木鳥頭顱模型65-69
• 3.2 頭顱結(jié)構(gòu)有限元模型69-74
• 3.2.1 網(wǎng)格劃分69-73
• 3.2.2 材料屬性73-74
• 3.3 單次啄擊頭顱結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)74-85
• 3.3.1 頭骨應(yīng)力波傳播77-79
• 3.3.2 腦膜變形與應(yīng)變79-82
• 3.3.3 大腦應(yīng)力分布82-85
• 3.4 小結(jié)85-86
• 4 啄木鳥頭顱模態(tài)分析86-104
• 4.1 振動(dòng)與模態(tài)分析86-90
• 4.1.1 概述86-87
• 4.1.2 計(jì)算模態(tài)分析方法87-90
• 4.2 啄木鳥頭顱結(jié)構(gòu)振型與頻率90-96
• 4.2.1 模型與材料90-91
• 4.2.2 頭顱結(jié)構(gòu)模態(tài)振型91-94
• 4.2.3 舌骨對(duì)模態(tài)頻率的影響94-96
• 4.3 啄木鳥大腦應(yīng)力譜分析96-102
• 4.3.1 連續(xù)啄擊模型96-98
• 4.3.2 頻譜分析原理98-100
• 4.3.3 大腦應(yīng)力譜分析100-102
• 4.4 小結(jié)102-104
• 5 啄木鳥全身連續(xù)啄擊分析104-120
• 5.1 啄木鳥全身模型104-109
• 5.1.1 模型建立104-106
• 5.1.2 頭顱連續(xù)啄擊運(yùn)動(dòng)106-109
• 5.2 連續(xù)啄擊下的應(yīng)力分析109-113
• 5.2.1 全身模型應(yīng)力109-110
• 5.2.2 頭顱結(jié)構(gòu)應(yīng)力110-113
• 5.3 連續(xù)啄擊下的能量分析113-119
• 5.3.1 全身能量傳遞與轉(zhuǎn)化115-116
• 5.3.2 頭顱結(jié)構(gòu)能量116-119
• 5.4 小結(jié)119-120
• 6 結(jié)論與展望120-123
• 6.1 結(jié)論120-121
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)121-122
• 6.3 展望122-123
• 參考文獻(xiàn)123-137
• 附錄A Abaqus二次開發(fā)粘彈性本構(gòu)子程序137-140
• 附錄B Matlab抗混濾波和快速傅立葉變換程序140-141
• 發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況141-142
• 致謝142-143
• 作者簡(jiǎn)介143

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：465280