鯽魚的形態(tài)、肌電、材料本構(gòu)實(shí)驗研究與“數(shù)字魚”數(shù)據(jù)庫初探.pdf

1、對魚類游動的生物力學(xué)問題進(jìn)行實(shí)驗研究，在科學(xué)探索和技術(shù)開發(fā)兩方面都極具意義。近年來，伴隨著實(shí)驗手段和技術(shù)的多樣化、精細(xì)化和系統(tǒng)化程度的提高，針對魚類游動運(yùn)動鏈一體化的定量化研究成為一大趨勢。為此，本文基于“神經(jīng)控制一肌肉主動收縮一被動變形”這一控制框架，對鯽魚的形態(tài)學(xué)、肌電信號以及皮膚、肌肉和軀干力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗研究，并在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)出“數(shù)字魚”的簡化模型，進(jìn)行了如下主要工作：
　　 一、對鯽魚樣本個體以及不同樣

2、本構(gòu)成的鯽魚群體，對幾何形態(tài)參數(shù)、質(zhì)量形態(tài)參數(shù)方面的規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗研究：通過對不同鯽魚樣本的二維形貌記錄，確定了其身體各部位，如頭長、軀干長、全長等變量和體長的線性對應(yīng)關(guān)系；通過影柵云紋法和三維坐標(biāo)機(jī)直接測量法的定量測量及其結(jié)果的對比，得到了鯽魚三維形貌的幾何形態(tài)參數(shù)。采用分段切片的實(shí)驗方式，研究了其軀體由頭到尾的質(zhì)量分布規(guī)律。通過對不同鯽魚樣本體長和體重進(jìn)行統(tǒng)計，明確了二者之間的冪指數(shù)對應(yīng)關(guān)系。
　　 二、研究了鯽魚游動過程中

3、的肌電測量技術(shù)，詳細(xì)論述了肌電實(shí)驗的手術(shù)操作過程，經(jīng)過成年男性心電信號測量實(shí)驗的標(biāo)定和檢驗，利用自行設(shè)計制作的肌電放大器對鯽魚在C形快速起動狀態(tài)下轉(zhuǎn)彎側(cè)體表紅肌的肌電信號給出了初步的測量結(jié)果，得到了其轉(zhuǎn)彎側(cè)體表紅肌幾乎同時開始活動、其持續(xù)的活動時間大致相同、并遠(yuǎn)小于魚體完成整個運(yùn)動歷程所需時間的結(jié)論；通過前人學(xué)者就其他魚種在巡游狀態(tài)下的肌電測量實(shí)驗結(jié)果來推斷鯽魚相應(yīng)的結(jié)論；根掘肌電活動模式，探討了鯽魚快速起動過程中毛氏細(xì)胞同步觸發(fā)運(yùn)動神

4、經(jīng)信號、產(chǎn)生肌肉同步收縮的神經(jīng)控制方式；基于鯽魚肌肉伸展方向與頭尾軸存在夾角的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，討論其可能提供更高收縮張力的潛在助益。
　　 三、采用單軸拉伸實(shí)驗的方式對鯽魚的皮肽和肌肉分別進(jìn)行了破壞實(shí)驗、松弛實(shí)驗和蠕變實(shí)驗，以確定其楊氏模量、歸一化松弛函數(shù)和歸一化蠕變函數(shù)，并通過粘彈性力學(xué)模型確定其本構(gòu)關(guān)系，討論了其粘彈性性質(zhì)以很小的能量損耗為代價，卻增加了軀體有效剛度的可能性。采用自行設(shè)計制作的彎曲變形實(shí)驗機(jī)，對鯽魚不同部位軀干進(jìn)行

5、彎曲變形實(shí)驗，以考察其角剛度和力學(xué)性能，得到了其軀干前端角剛度最大的結(jié)論；通過長時間交變加載實(shí)驗的結(jié)果，獲得了在動態(tài)彎曲變形的情況下，可將魚體軀干近似視為彈性體的結(jié)論。
　　 四、對鯽魚的形態(tài)學(xué)參數(shù)、肌肉活動模式、皮膚和肌肉本構(gòu)關(guān)系、以及軀干動態(tài)彎曲實(shí)驗的結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)，通過無量綱化的方式進(jìn)行處理，得到了通用的實(shí)驗數(shù)據(jù)，初步建立了“數(shù)字魚”模型，得到了諸如“數(shù)字魚”水平斷面即為其俯視形態(tài)，且包絡(luò)于NACA0014和NACA00