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蜻蜓翅膀微结构与力学行为的仿生分析研究

作　者: 陈应龙
导　师: 王习术
学　校: 清华大学
专　业: 力学
关键词: 蜻蜓翅膀褶皱微结构扭簧模型力学行为
分类号: Q811.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

生物材料在力学性能方面的优异表现吸引了大批材料学和力学研究者，蜻蜓翅膀作为一种生物材料，同时也是蜻蜓的飞行器官，本身轻且薄，但是其比强度和比刚度对比航空铝合金材料有着非常大的优势，而它的力学性能与其结构是息息相关的。本文从研究蜻蜓翅膀的微结构出发，在实验观察的基础上，从多个尺度表征蜻蜓的翅膀结构，并建立了相关的力学模型，通过理论和模拟的方法分析了蜻蜓跨尺度下的结构与其力学行为包括气动力学行为之间的关系。本文首先测量了蜓翼在宏观尺度下的形状和重量参数，利用贝塔分布函数描述了蜻蜓前后翼的轮廓，并利用重量参数计算得到了蜓翼关于翼根部连接点的惯性矩和重心位置。随后，通过ESEM观察了蜓翼在微米和纳米尺度下的微结构，结果显示，蜻蜓翅膀是一种多级复合生物材料，它有三级结构：一、蜓翼有茎脉与翅膜组成，茎脉中的处于翼前缘的主要茎脉在三维空间内的凹凸排列形成第一级的“W”形褶皱结构；二、纵脉的三明治结构与翅膜的上下分层结构为第二级结构；三、三明治结构中的内外几丁质层与翅膜上下表层都为纳米薄层平行堆积而成，三明治结构的中间蛋白层中则存在环向生长的纳米纤维，此为第三级结构。此外，通过理论模型分析，本文明确了蜓翼各级结构的力学特性以及彼此间的关系，认为蜓翼突出的两个显著特征为褶皱和精细的微结构，而褶皱又是由微结构诱导，认为蜓翼“W形”褶皱前缘与背部肌肉的连接结构类似于扭簧。蜓翼结构与力学行为之间的关系表现为两个方面。一方面，蜓翼利用了各级结构突出的力学性能，因蛋白质层的介入和外层几丁质的纳米分层使得蜓翼在弯矩作用下表现更为柔性，在扭矩作用下，因为蛋白质层与几丁质层间的接合机制和蛋白质中嵌入的纳米纤维，使得蜓翼能承担较大的扭转变形，扭簧的结构甚至具有主动控制飞行姿态的能力；另一方面，蜓翼的这种结构是由其力学行为决定的，蜓翼处于弯矩和扭矩单独或者耦合作用的工况下，为了满足其飞行要求，蜓翼在长期的进化中选择了这种多级结构。对蜓翼整体结构的自然频率与模态的模拟分析显示褶皱结构增加了翅膀整体结构刚度。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章引言  8-22
  1.1 课题意义与背景  8-9
  1.2 昆虫飞行气动力学研究背景  9-16
    1.2.1 叶元理论  10-12
    1.2.2 运动分类  12-15
    1.2.3 准定常假设  15-16
  1.3 蜓翼结构研究背景  16-18
  1.4 仿生扑翼飞行器研究现状  18-20
  1.5 本文研究内容和贡献  20-22
第2章蜓翼的形态学、重量参数与其多级结构  22-48
  2.1 本章引论  22-23
  2.2 实验材料与方法  23-27
    2.2.1 测量全翼的形状参数和重量参数  25-26
    2.2.2 蜓翼微结构的观察  26-27
  2.3 实验结果  27-46
    2.3.1 蜻蜓全翼形状参数  27-35
    2.3.2 蜻蜓全翼重量参数  35-38
    2.3.3 蜓翼微结构  38-46
  2.4 本章小节  46-48
第3章蜓翼结构与力学行为分析  48-67
  3.1 本章引论  48-49
  3.2 蜓翼微结构的力学模型  49-56
    3.2.1 蜓翼茎脉蛋白质—纤维复合层模型  49-51
    3.2.2 蜓翼茎脉内外层与蛋白层界面与扭簧模型  51-53
    3.2.3 蜓翼褶皱模型  53-56
  3.3 蜓翼结构与力学行为之间的关系  56-66
    3.3.1 蜓翼茎脉结构与静力学行为之间的关系  56-60
    3.3.2 蜓翼结构对蜓翼气动力学性能的影响初探  60-66
  3.4 本章小节  66-67
第4章蜓翼自然频率与模态的模拟分析  67-73
  4.1 蜻蜓翅膀跨尺度结构模型设计  67-69
    4.1.1 Model I 的翼型结构特征  67-68
    4.1.2 Model II 的翼型结构特征  68
    4.1.3 Model I*和 Model II*的翼型结构特征  68-69
  4.2 数值模拟结果与讨论  69-71
  4.3 本章小结  71-73
第5章仿生设计初探  73-78
  5.1 扑翼运动结构  73-76
  5.2 机翼设计  76-78
第6章总结  78-80
参考文献  80-84
致谢  84-86
附录文中涉及昆虫种类拉丁名  86-87
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  87

蜻蜓翅膀微结构与力学行为的仿生分析研究

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