典型植物叶片刚柔耦合力学特性及其仿生研究

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1、分类号：TB17单位代码：10183研究生学号：2015451022密级：公开吉林大学博士学位论文典型植物叶片刚柔耦合力学特性及其仿生研究ResearchonRigid-flexibleCouplingMechanicalCharacteristicsandBionicsoftheTypicalPlantLeaves作者姓名：刘静静专业：仿生科学与工程研究方向：机械仿生科学与工程指导教师：任露泉教授张志辉教授培养单位：生物与农业工程学院2018年6月—————————————————————典型植物叶片刚柔耦合力学特性及其仿生研究—————————————————————Resea

2、rchonRigid-flexibleCouplingMechanicalCharacteristicsandBionicsoftheTypicalPlantLeaves————————————作者姓名：刘静静专业名称：仿生科学与工程研究方向：机械仿生科学与工程指导教师：任露泉教授张志辉教授学位类别：工学博士培养单位：生物与农业工程学院论文答辩日期：2018年6月5日授予学位日期：年月日答辩委员会组成：姓名职称工作单位主席殷敬华研究员中国科学院长春应用化学研究所委员刘喜明教授长春工业大学韩志武教授吉林大学刘燕教授吉林大学刘镇宁教授吉林大学未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论

3、文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿声明研究生院：本

4、人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿，希望《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》给予出版，并同意在《中国博硕士学位论文评价数据库》和CNKI系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。论文级别：□硕士■博士学科专业：仿生科学与工程论文题目：典型植物叶片刚柔耦合力学特性及其仿生研究作者签名：指导教师签名：年月日作者联系地址（邮编）：吉林省长春市人民大街5988号，130022吉林大学生物与农业工程学院作者联系电话：15004311219摘要典型植物叶片刚柔

5、耦合力学特性及其仿生研究摘要疲劳失效是工程领域表面损伤失效的三大类型之一，对机械高效工作和可靠运行构成巨大的威胁。开发抗疲劳设计与制造技术是当前工程研究领域的重要课题之一。长期以来，国内外围绕该问题进行了理论、模拟、试验等方法的不断探索，但由于疲劳失效机理的复杂性、研究手段的局限性以及现代工业抗疲劳要求的日益提高，该方面的研究始终是工程界致力于攻克的技术瓶颈。长期以来，针对上述问题的研究，很大程度上依赖于应用先进材料和表面处理技术，而较少涉及几何形态和物理结构等其它因素对其影响，同时，国内外研究大多关注表面的单一失效，而对更多因素导致的叠加失效现象仍缺乏有效的解决方案。绿色、环保、

6、可持续的社会发展目标吸引了大量研究人员将技术探索的目光聚焦于仿生学，运用先进仿生设计理念，研发了同时兼具优异止裂和抗疲劳的多功能体系。自然界中的植物经过亿万年的物种竞争和自然进化，具有轻质、高强、止裂和抗疲劳的功能特性，为工程材料性能提升提供了重要的借鉴。本论文以工程领域机械零部件的止裂、抗疲劳需求为背景，以典型刚柔耦合平行脉单子叶植物（美人蕉、玉簪、棕竹和香蒲）和网状脉双子叶植物（白杨树、紫丁香和臭椿）叶片为研究对象，运用数码相机、扫描电子显微镜、微计算机断层扫描等测试手段，对叶片表面脉络分布形态特征以及内部微观结构特性进行了表征与对比分析；基于叶片不同位置硬质相“叶脉”和软质相

7、“叶肉”的截面形态和结构特性，建立了仿生结构“刚柔”耦合模型，利用数值模拟方法对其结构的抗弯和抗压性能进行验证；通过原位拉伸试验对硬质相叶脉和软质相叶肉的刚柔耦合力学性能进行了表征，并结合显微镜下的原位拉伸试验，观察分析了不同刚柔耦合植物叶片中硬质相叶脉的分布方向对叶片拉伸性能和变形损伤机制的影响规律；基于叶片刚柔耦合特性，通过有限元数值模拟研究了硬质相和软质相刚柔耦合比、硬质相分布和叶脉各级脉序硬质相对材料表面的强化作用，并通过激光熔凝技术在模具钢表面制备了仿生刚柔