牛科动物犄角宏微观力学行为研究.docx

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1、牛科动物犄角宏微观力学行为研究牛科动物的犄角是一种具有优越力学性能的生物复合材料。牛科动物犄角的宏微观结构是亿万年物种竞争和自然选择的结果。它对牛科动物在多物种激烈竞争环境中的生存起着至关重要的作用。牛科动物犄角宏微观结构的深入研究对认识牛科动物犄角优良力学行为的内在机理及发展高性能仿生复合材料具有重要意义。本文通过对牦牛角、水牛角和绵羊角的宏微观结构及力学行为的实验观察、力学测试、数值计算和有限元模拟,研究了牛科动物犄角宏微观结构与其力学行为的关系。本文具体完成了以下工作并得到若干有益结论:(1)对牦牛角、水牛角和绵羊角的外部形状与尺寸

2、进行了细致地观察和记录,根据得到的实验数据,建立了1:1的犄角分析模型,进而对其力学行为进行数值计算与分析。(1)对具有规则圆形横截面的犄角倾斜度进行了分析研究。结果表明犄角的倾斜度对结构的刚度有很大影响。40-60为犄角的最优倾斜度,在这个范围内犄角具有较为平均的应力分布和较小的最大应力。在对犄角进行不同的正面加载表明实际的犄角倾斜度范围内,犄角的最大应力主要受y方向分力的影响。对具有不规则横截面的水牛角和绵羊角的观察表明这两种犄角在承受应力较大的一侧有结构上的增强。(2)对牦牛角、水牛角和绵羊角沿纵向、横向及45°方向的压缩及弯曲力学

3、性质进行了实验测试。结果表明:(1)三种犄角的纵向弹性模量都大于横向弹性模量;(2)水牛角和绵羊角的纵向屈服极限大于其横向屈服极限,但是牦牛角的纵向屈服极限略小于横向屈服极限;(3)水牛角45°方向的弯曲模量最大,横向次之,纵向最小。(4)牦牛角的纵向弯曲模量最大,绵羊角的纵向弯曲模量最小。(5)水牛角在纵向压缩试验和横向的弯曲试验中表现出不同于其他试样的脆性破坏。(3)利用扫描电镜对不同方向的犄角断面微结构进行了实验观察,结果表明牦牛角、水牛角都是由堆叠的角蛋白纤维层所组成。牦牛角的纤维层厚度最大(约为60mm),水牛角中的纤维层厚度较

4、小(约为10mm)。观察结果表明牦牛角的纤维层是由带状纤维通过类似编织的方式组合而成,水牛角的纤维层是由更微小的纤维片堆叠而成。绵羊角中存在纵向延伸的细管,其周围有层层的纤维进行环绕。(4)建立纤维片堆叠模型,对堆叠结构中的纤维片拔出能进行了计算,结果表明纤维片厚度的减小和横向尺寸的增加将增加犄角的断裂韧性。对绕孔结构中的纤维拔出力进行了分析计算,结果表明绕孔结构中的纤维增加了纤维脱黏的难度,这也增加了犄角的断裂韧性。对含孔圆柱模型和实心圆柱模型的应力和应变进行数学计算和有限元模拟,结果表明含孔结构具有更好的抵抗弯曲和扭转变形的能力。(5

5、)将多孔的犄角芯简化为蜂窝结构,对其沿不同方向的模量进行了分析计算,结果表明犄角骨芯蜂窝结构对犄角能量吸收和结构增强具有重要作用。算算算