?？苿游镪鹘呛晡⒂^力學行為研究.pdf

1、?？苿游锏年鹘鞘且环N具有優(yōu)越力學性能的生物復合材料。?？苿游镪鹘堑暮晡⒂^結構是億萬年物種競爭和自然選擇的結果。它對?？苿游镌诙辔锓N激烈競爭環(huán)境中的生存起著至關重要的作用。?？苿游镪鹘呛晡⒂^結構的深入研究對認識牛科動物犄角優(yōu)良力學行為的內在機理及發(fā)展高性能仿生復合材料具有重要意義。本文通過對牦牛角、水牛角和綿羊角的宏微觀結構及力學行為的實驗觀察、力學測試、數值計算和有限元模擬，研究了?？苿游镪鹘呛晡⒂^結構與其力學行為的關系。本文具體完成了

2、以下工作并得到若干有益結論：
　?、賹﹃笈＝?、水牛角和綿羊角的外部形狀與尺寸進行了細致地觀察和記錄，根據得到的實驗數據，建立了1：1的犄角分析模型，進而對其力學行為進行數值計算與分析。對具有規(guī)則圓形橫截面的犄角傾斜度進行了分析研究。結果表明犄角的傾斜度對結構的剛度有很大影響。40-60為犄角的最優(yōu)傾斜度，在這個范圍內犄角具有較為平均的應力分布和較小的最大應力。在對犄角進行不同的正面加載表明實際的犄角傾斜度范圍內，犄角的最大應力主要

3、受y方向分力的影響。對具有不規(guī)則橫截面的水牛角和綿羊角的觀察表明這兩種犄角在承受應力較大的一側有結構上的增強。
　　②對牦牛角、水牛角和綿羊角沿縱向、橫向及45o方向的壓縮及彎曲力學性質進行了實驗測試。結果表明：
　?。?）三種犄角的縱向彈性模量都大于橫向彈性模量；
　　（2）水牛角和綿羊角的縱向屈服極限大于其橫向屈服極限，但是牦牛角的縱向屈服極限略小于橫向屈服極限；
　?。?）水牛角45o方向的彎曲模量最大，橫

4、向次之，縱向最小。
　?。?）牦牛角的縱向彎曲模量最大，綿羊角的縱向彎曲模量最小。
　?。?）水牛角在縱向壓縮試驗和橫向的彎曲試驗中表現(xiàn)出不同于其他試樣的脆性破壞。
　?、劾脪呙桦婄R對不同方向的犄角斷面微結構進行了實驗觀察，結果表明牦牛角、水牛角都是由堆疊的角蛋白纖維層所組成。牦牛角的纖維層厚度最大（約為60?m），水牛角中的纖維層厚度較?。s為10?m）。觀察結果表明牦牛角的纖維層是由帶狀纖維通過類似編織的方式組合

5、而成，水牛角的纖維層是由更微小的纖維片堆疊而成。綿羊角中存在縱向延伸的細管，其周圍有層層的纖維進行環(huán)繞。
　?、芙⒗w維片堆疊模型，對堆疊結構中的纖維片拔出能進行了計算，結果表明纖維片厚度的減小和橫向尺寸的增加將增加犄角的斷裂韌性。對繞孔結構中的纖維拔出力進行了分析計算，結果表明繞孔結構中的纖維增加了纖維脫黏的難度，這也增加了犄角的斷裂韌性。對含孔圓柱模型和實心圓柱模型的應力和應變進行數學計算和有限元模擬，結果表明含孔結構具有更好