?？苿?dòng)物犄角宏微觀力學(xué)行為研究.pdf

1、?？苿?dòng)物的犄角是一種具有優(yōu)越力學(xué)性能的生物復(fù)合材料。?？苿?dòng)物犄角的宏微觀結(jié)構(gòu)是億萬年物種競(jìng)爭(zhēng)和自然選擇的結(jié)果。它對(duì)?？苿?dòng)物在多物種激烈競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中的生存起著至關(guān)重要的作用。?？苿?dòng)物犄角宏微觀結(jié)構(gòu)的深入研究對(duì)認(rèn)識(shí)牛科動(dòng)物犄角優(yōu)良力學(xué)行為的內(nèi)在機(jī)理及發(fā)展高性能仿生復(fù)合材料具有重要意義。本文通過對(duì)牦牛角、水牛角和綿羊角的宏微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)觀察、力學(xué)測(cè)試、數(shù)值計(jì)算和有限元模擬，研究了牛科動(dòng)物犄角宏微觀結(jié)構(gòu)與其力學(xué)行為的關(guān)系。本文具體完成了

2、以下工作并得到若干有益結(jié)論：
　　①對(duì)牦牛角、水牛角和綿羊角的外部形狀與尺寸進(jìn)行了細(xì)致地觀察和記錄，根據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了1：1的犄角分析模型，進(jìn)而對(duì)其力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析。對(duì)具有規(guī)則圓形橫截面的犄角傾斜度進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明犄角的傾斜度對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度有很大影響。40-60為犄角的最優(yōu)傾斜度，在這個(gè)范圍內(nèi)犄角具有較為平均的應(yīng)力分布和較小的最大應(yīng)力。在對(duì)犄角進(jìn)行不同的正面加載表明實(shí)際的犄角傾斜度范圍內(nèi)，犄角的最大應(yīng)力主要

3、受y方向分力的影響。對(duì)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(yīng)力較大的一側(cè)有結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)。
　?、趯?duì)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(xué)性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明：
　?。?）三種犄角的縱向彈性模量都大于橫向彈性模量；
　?。?）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(yàn)和橫向的彎曲試驗(yàn)中表現(xiàn)出不同于其他試樣的脆性破壞。
　?、劾脪呙桦婄R對(duì)不同方向的犄角斷面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察，結(jié)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(jié)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(xì)管，其周圍有層層的纖維進(jìn)行環(huán)繞。
　?、芙⒗w維片堆疊模型，對(duì)堆疊結(jié)構(gòu)中的纖維片拔出能進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)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(duì)繞孔結(jié)構(gòu)中的纖維拔出力進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)果表明繞孔結(jié)構(gòu)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(duì)含孔圓柱模型和實(shí)心圓柱模型的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算和有限元模擬，結(jié)果表明含孔結(jié)構(gòu)具有更好