啄木鸟头颅结构抗冲击力学机理

发布时间：2017-06-20 10:11

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【摘要】：自然界是人类最好的老师,人类的大部分发明创造源于自然的启发。在长期的进化中,生物体形成了特殊的材料和结构,在某些特定功能上远远超过了人造材料。人们学习并利用自然的过程中诞生了仿生学,目前仿生已经成为一种重要的科学研究手段,并在各个学科领域发挥作用。高速冲击和碰撞是生活中经常发生的现象之一,通常会对结构和材料产生严重破坏,耐冲击与抗震结构在工程中有重大需求。在航空航天领域,气流有时会引发高速运行的飞机产生强烈振动,同时与太空垃圾可能的碰撞也是影响飞行安全的潜在因素；在汽车工业中,碰撞几乎不可避免,而且这种碰撞极易对内部的乘客造成损伤；在容易发生剧烈碰撞的体育比赛中,对头颅和大脑进行抗冲击保护也是一个重要的问题。在最近几十年里,人们针对抗冲击碰撞结构展开了一系列的研究,有许多集中在结构和材料的吸能减振方面。 啄木鸟是一种以啄木为生的鸟类,在高频和高速啄木过程中不会出现任何大脑损伤,这种特殊的抗冲击减振能力引起科学家极大兴趣与关注。本文以啄木鸟的啄击过程为研究对象,采用力学方法对啄木鸟反复啄木冲击过程进行数值仿真分析,包括头颅和全身结构的应力波传播和能量流动,重点关注头颅结构的抗冲击特性、防共振特性以及冲击能量在身体结构中的转化规律和头颅结构吸能原理。论文第一章综述了国内外相关研究现状,之后从以下几方面展开： 第二章,针对啄木鸟头骨微结构进行研究。通过纳米压痕实验测定了头骨表面的弹性模量分布,使用扫描电镜观察了头骨的内部微结构,并对材料分布以及头骨微结构对应力波传播的影响进行了讨论。实验结果显示,沿矢状面和冠状面方向,头骨的弹性模量呈现出类似正弦曲线的非均匀变化,上下限分别为12GPa和4GPa。对粘弹性杆的应力波传播分析表明,粘弹性材料参数的变化会影响应力峰值的变化和分布,通过计算和类比发现,啄木鸟头骨的材料分布能够最大程度地保护大脑。头骨的微结构观察显示,沿啄击应力的传播方向,头骨内部呈现不同形式的微孔结构,对孔结构形态和布局进行的分析表明,矩形单孔的结构吸能效果更优,这也是在啄木鸟头骨中出现最多的孔型结构。 第三章,采用逆向工程技术的方法建立了啄木鸟头颅的有限元模型,并进行了精细的网格划分,重点研究了单次啄击产生的应力波在头颅中的传播情况。结果显示冲击应力波大部分通过上鸟嘴传递,啄木鸟的穹形头骨以及舌骨等结构有效地分散了应力波的传播,避免了应力集中。材料的粘弹性使得应力能够在头颅中快速地衰减,头骨内部和大脑内部的应力峰值均处于安全水平,不会产生头颅结构的强度破坏。 第四章,从模态振型和固有频率的角度分析了啄木鸟头颅的防共振与抗冲击原理,将信号处理技术中的频谱分析与应力分析相结合,得到应力分量的频率特征。对头颅的模态分析结果显示,头颅的振动以大脑的局部振动为主,前三十阶振型以旋转或组合旋转振型为主；头颅的基态固有频率、大脑冲击应力分量的频率,远远高于鸟的啄木工作频率,这些因素使得啄木鸟在平动啄木时大脑不易发生共振。计算同时显示,舌骨的收缩预紧力,能够显著提高头颅的固有频率,最大提升21.3%,这使得头颅固有频率进一步远离啄木鸟的啄木工作频率,这一发现与啄木鸟在啄击前收缩舌骨的实际观察相符合。 第五章,创建了包含身体在内的啄木鸟全身模型,对连续啄击过程中的应力、能量转化和结构吸能进行了研究。结果表明,碰撞时刻头颅部分应力较大,其他时刻身体对应力传递起到了缓冲作用,显著减小了头颅应力。啄木鸟用于啄击的能量大部分储存在身体中,能量得以重复利用,只有很少一部分进入头颅；进入大脑的啄击能量大部分以热能的形式耗散掉,并引起大脑的升温；头颅内部结构对大脑形成了多级保护,有效地减少了大脑的应力和变形。这一章节的研究被作为封面文章刊登在《中国科学：技术科学》杂志2014年第7期。
【关键词】：啄木鸟 抗冲击 减振 应力分析 能量转化
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q811
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• TABLE OF CONTENTS11-13
• 图目录13-15
• 表目录15-16
• 主要符号表16-17
• 1 绪论17-32
• 1.1 振动研究概述17-18
• 1.2 振动控制与冲击防护18-22
• 1.2.1 隔振与减振原理18-20
• 1.2.2 粘弹性阻尼减振结构20-21
• 1.2.3 冲击吸能结构21-22
• 1.3 啄木鸟减振研究22-30
• 1.3.1 啄木鸟啄击行为22-25
• 1.3.2 啄木鸟相关力学研究25-28
• 1.3.3 力学与仿生28-30
• 1.4 本文主要研究内容30-32
• 2 啄木鸟骨微纳结构与力学性能32-63
• 2.1 头颅结构力学性能测试32-40
• 2.1.1 纳米压痕方法32-34
• 2.1.2 头颅材料力学性质34-40
• 2.2 材料分布对应力波的影响40-52
• 2.2.1 粘弹性介质中应力波的传播40-45
• 2.2.2 材料参数变化对应力波的影响45-52
• 2.3 啄木鸟头骨微结构52-62
• 2.3.1 微结构形态优选53-56
• 2.3.2 微结构布局优选56-58
• 2.3.3 骨结构的宏观均匀化58-62
• 2.4 小结62-63
• 3 啄木鸟头颅动态冲击分析63-86
• 3.1 头颅结构几何建模63-69
• 3.1.1 逆向工程建模63-65
• 3.1.2 啄木鸟头颅模型65-69
• 3.2 头颅结构有限元模型69-74
• 3.2.1 网格划分69-73
• 3.2.2 材料属性73-74
• 3.3 单次啄击头颅结构动力响应74-85
• 3.3.1 头骨应力波传播77-79
• 3.3.2 脑膜变形与应变79-82
• 3.3.3 大脑应力分布82-85
• 3.4 小结85-86
• 4 啄木鸟头颅模态分析86-104
• 4.1 振动与模态分析86-90
• 4.1.1 概述86-87
• 4.1.2 计算模态分析方法87-90
• 4.2 啄木鸟头颅结构振型与频率90-96
• 4.2.1 模型与材料90-91
• 4.2.2 头颅结构模态振型91-94
• 4.2.3 舌骨对模态频率的影响94-96
• 4.3 啄木鸟大脑应力谱分析96-102
• 4.3.1 连续啄击模型96-98
• 4.3.2 频谱分析原理98-100
• 4.3.3 大脑应力谱分析100-102
• 4.4 小结102-104
• 5 啄木鸟全身连续啄击分析104-120
• 5.1 啄木鸟全身模型104-109
• 5.1.1 模型建立104-106
• 5.1.2 头颅连续啄击运动106-109
• 5.2 连续啄击下的应力分析109-113
• 5.2.1 全身模型应力109-110
• 5.2.2 头颅结构应力110-113
• 5.3 连续啄击下的能量分析113-119
• 5.3.1 全身能量传递与转化115-116
• 5.3.2 头颅结构能量116-119
• 5.4 小结119-120
• 6 结论与展望120-123
• 6.1 结论120-121
• 6.2 创新点121-122
• 6.3 展望122-123
• 参考文献123-137
• 附录A Abaqus二次开发粘弹性本构子程序137-140
• 附录B Matlab抗混滤波和快速傅立叶变换程序140-141
• 发表学术论文情况141-142
• 致谢142-143
• 作者简介143

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：465280