金龟子外甲壳的纤维增强特征和树枝状分叉纤维结构

在扫描电镜下观测了昆虫金龟子外甲壳的微结构特征，发现金龟子外甲壳是一种以几丁质纤维增强角质化蛋白质为基体的层状复合材料，其增强纤维的铺层平行于外甲壳的表面，具有包括螺旋铺层和分叉纤维在内的多种微结构特征，通过与人工合成复合材料的比较，分析了这些结构特征的强韧机理，测量并研究了金龟子外甲壳中的树枝状分叉纤维结构及其拔出力。结果表明，树枝状分叉纤维结构比普通直纤维结构具有更大的拔出力。     

生物复合材料的细观结构和仿生复合材料的研究

利用扫描电镜（ＳＥＭ）和光学显微镜对蝉，金龟子等昆虫的外甲壳的细肌结构进行了仔细的观察研究和强韧化的要理分析，并与人工合成复合材料进行比较，总结出可能对设计制造新型人工合成复合材料有益的启示。研究表明昆虫的外甲壳是一种由几丁质纤维和蛋白质（硬化或半硬化的）基体粘合形成的层状复合春层合方式有同向，正交，单，双螺旋等多种形式；纤维的形状，尺寸，以有妄动厚和叠层数是变化的，在可能产大外力的地方往往具有较     

金龟子外甲壳异型纤维结构分析

运用扫描电镜实验观察了金龟子外甲壳内部的微结构,发现其类似于人造纤维增强复合材料,具有几丁质纤维增强角质化蛋白质基体的结构特征.对其仔细观察发现其中存在非均匀的纤维铺层以及奇特的异型刺状和球形纤维.针对发现的异型刺状纤维结构,建立纤维端头模型,用有限元分析方法对其进行了应力和变形分析,结果表明刺状和球形端头纤维能显著地降低其端头界面剪应力集中现象,提高纤维增强复合材料抵抗变形破坏的能力,增加纤维增强复合材料的强度.分析结果对仿生复合材料的设计具有指导意义.     

复合材料轴结构力学性能预测及铺层方案设计

针对连续纤维增强金属基复合材料轴结构力学性能预测问题,考虑纤维呈四边形和六角形两种周期性排列方式,基于细观力学有限元方法,建立六种代表体积元(RVE)模型,计算该材料的宏观力学性能参数,并与已有的三种细观力学模型计算结果进行对比分析。在此基础上,以低压涡轮轴为研究对象,将选定的RVE模型预测所得的宏观力学性能参数应用于该纤维增强复合材料轴结构的铺层方案设计中,利用数值模拟方法计算该轴结构在给定弯矩、扭矩作用下的变形量和应力,并分析铺层角度、厚度及铺层顺序对轴结构抗弯、抗扭性能的影响规律。研究发现纤维按某种特定的铺层角度组合铺设,可有效提高轴结构的抗弯、抗扭性能,通过计算分析提出了铺层设计方案。     

复合材料多尺度仿生方法的研究

复合材料仿生方法从仿生尺度上分为宏观、细观和微观仿生，从仿生对象上分为界面仿生和增强相形貌仿生，从研究手段上分为结构机理仿生、分子化学仿生和矿化工艺仿生。对当前复合材料仿生设计与制造方法进行了回顾与分类，并对各种方法的思想起源，适用范围与优缺点等进行了评述。     

基于遗传算法的复合材料结构-声辐射优化研究

研究了外载荷作用下的复合材料结构振动响应和声辐射问题。在此基础上, 分析了复合材料的结构-声辐射优化设计模型, 基于遗传算法进行了对称型复合材料板结构的结构-声辐射铺层几何优化分析。数值算例表明, 复合材料板结构的铺层数、 铺层厚度和铺层角度等参数优化, 可以有效降低结构的振动和声辐射。数值算例结果验证了优化方法的有效性。     

仿生结构复合材料研究现状

综述了贝壳珍珠层、蛛丝结构、竹材外密内疏结构、植物的根部网状结构以及骨骼哑铃型结构等天然生物材料的结构特征及其相应的仿生材料近年来的研究进展,展望了结构仿生材料的应用前景.认为应对现有生物体的结构特征与其性能的相关性进行进一步的研究,从材料科学角度研究它们的规律,进行仿生设计,以推动仿生材料学的发展.     

纤维复合材料粘弹性动态性能的细观力学分析

建立了纤维增强复合材料粘弹性动态性能的细观力学模型.首先建立了树脂基体相各向同性的粘弹性模型,模型参数由纯树脂基体材料的蠕变试验获取,在此基础上分别建立了针对单向和正交铺层复合材料的横观各相同性、正交各相异性的细观粘弹性模型.对单向、正交铺层复合材料进行了静态和动态试验,分别通过试验和上述理论模型得到了其阻尼比、动态储存模量、损耗模量和损耗因子,理论预测与试验结果吻合.     

基于铺层设计特征的碳纤维增强复合材料悬架控制臂结构优化

基于铺层设计特征,提出一种使用碳纤维复合材料对承载结构件进行结构优化设计的方法和流程.该方法综合考虑结构几何特征、材料铺层方式、铺层厚度及铺层角度在设计环节中的序列关系,通过几何设计空间构建、离散变量多目标优化、基于工艺可行性的最优决策等方法实现结构设计.以碳纤维增强复合材料悬架控制臂的轻量化设计为例:首先,以钢质控制臂结构为参考建立复合材料控制臂的几何设计空间;然后,以复合材料铺层便利性为原则对其进行结构设计,采用准各向同性铺层对控制臂的铺层厚度进行设计;进而,以提高控制臂刚度和1阶固有频率为目标,使用优化算法对铺层角度进行多目标优化设计;最后,以工艺可行性为约束对优化结果进行筛选并最终完成结构设计.结果表明,所设计复合材料结构具有更大的刚度和1阶固有频率,并且与钢质结构相比减重47.9%.所提出的方法能够较好地兼顾结构特征和复合材料设计要求之间的关系,为复合材料结构优化设计理论与方法的发展提供有益参考.     

甲虫鞘翅结构仿生复合材料研究进展

甲虫鞘翅是微细结构高度优化的自然结构复合材料,具有优良的力学性能。对甲虫鞘翅的微细结构和力学行为进行研究并用于复合材料,将对复合材料的开发提供有益的设计思想。本文综述了关于昆虫鞘翅的微细结构、力学行为和仿生复合材料方面的研究现状。     

Namib desert beetle inspired special patterned fabric with programmable and gradient wettability for efficient fog harvesting

Efficient collection of water from fog provides a potential solution to solve the global freshwater shortage problem, particularly in the desert or arid regions. In this work, a flexible and highly efficient fog collector was prepared by mimicking the back exoskeleton structure of the Namib desert beetle. The improved fog collector was constructed by a superhydrophobic-superhydrophilic patterned fabric via a simple weaving method, followed by in-situ deposition of copper particles. Compared with the conventional fog collector with a plane structure, the fabric has shown a higher water-harvesting rate at 1432.7 mg/h/cm2,owing to the biomimetic three-dimensional structure, its enhanced condensation performance enabled by the copper coating and the rational distribution of wetting units. The device construction makes use of the widely available textile materials through mature manufacturing technology, which makes it highly suitable for large-scale industrial production.     

髋关节助力外骨骼的结构设计

目的以为正常人和具有行走功能障碍的人群提供行走助力为设计目标,对髋关节外骨骼进行结构设计。力求实现质量轻、结构可靠、制造简便、人机协调性好等目标。方法基于人机工程学和人体步态运动规律提出一种髋关节外骨骼的结构设计方法,并确定了该外骨骼结构的自由度数、运动副设置、几何关系以及各杆长等关键信息,基于以上内容对外骨骼进行详细设计,建立虚拟样机模型,并使用ADAMS软件对其进行动力学仿真。结果样机模型运动良好,符合预期目标。并基于以上数据得到了该外骨骼滚珠丝杠的运动速度和电机的选型标准。结论 ADAMS软件仿真结果表明外骨骼的结构设计合理,动力符合设计要求,同时,为下肢外骨骼的相关结构简化提供了参考,为外骨骼的进一步设计奠定了基础。     

基于人机闭链的下肢康复外骨骼机构运动学分析

针对下肢康复外骨骼在使用过程中出现的运动偏差，基于人体-外骨骼运动模型与调整模型，完成了下肢康复外骨骼的结构设计与运动学分析。运用人机偏差变量理论和人机相容理论，在人体-外骨骼运动模型上添加被动自由度，建立了人体-外骨骼调整模型。根据2种模型设计了下肢康复外骨骼，该外骨骼提供运动模式和调整模式，可通过人机滑动偏差检测装置切换使用模式。通过建立单侧外骨骼机械腿运动学模型，求解其运动方程和连杆变换矩阵。运用MATLAB和ADAMS软件对外骨骼模型和人体-外骨骼模型进行运动学仿真，并对比分析仿真结果。结果表明：下肢康复外骨骼在矢状面内的运动空间可以覆盖人体末端运动轨迹，该外骨骼各关节仿真运动趋势与理论运动趋势基本一致；调整模式能够补偿运动模式产生的运动偏差，验证了下肢康复外骨骼机构设计的合理性。研究表明基于人机闭链设计的下肢康复外骨骼机构能够较好地补偿运动偏差，避免因人机滑动引起的人体二次损伤，为外骨骼的实用化设计与研究提供了理论基础。     

基于拓扑优化的军用单兵外骨骼装备设计研究

目的 以构建人机协调、轻量化的外骨骼设计为目标,探索拓扑优化在军用单兵外骨骼设计领域的应用和方法。方法 通过分析外骨骼装备的使用需求和现有装备的设计特点,结合人体工学和运动学理论提出军用单兵外骨骼装备的设计方向,将拓扑优化方法引入外骨骼装备前期造型设计阶段,建立以形态结构优化为先导的设计流程,并应用于军用单兵外骨骼装备设计。结果 基于人体运动自由度和步态,设计了具备拓扑优化造型的军用单兵外骨骼装备。装备部件经过优化后,在结构性能较为理想的同时,自重显著降低、装备可穿戴性好,且能够提供有效的负重辅助和可观的运动助力,达到了设计预定指标。结论 拓扑优化设计方法能够满足人机协调运动机构和高比强度造型结构的外骨骼装备设计要求;基于该方法设计的单兵外骨骼装备具有良好的军事应用前景。     

克服纤维桥连对GIC影响的隔离层法

本文分析了纤维桥连产生的原因和它对Ⅰ型层间断裂韧性G_IC的影响,提出了一种克服纤维桥连的“隔离层”法,从试件铺层设计入手,力图将纤维嵌套的可能性减到最低.有限元计算结果表明,隔离层的引入并没有改变层间裂纹尖端的应力分布和应力集中,试件的弯曲刚度计算表明,当隔离层的铺层角取±10°～±20°时,可以使±θ隔离层带来的试件弯扭耦合效应降到最低.实验结果证明了这种方法的可行性.     

一种被动式外骨骼机械足的结构设计及优化

被动式外骨骼可以减少行走能量消耗且不耗费电能,在军事、民用领域具有广阔的应用前景。针对现有被动式外骨骼节省的能量较少且无法适应不同行走配置等问题,提出了多级能量锁原理,并根据此原理设计了一款被动式外骨骼机械足。首先,基于多级能量锁原理,建立人体行走时支撑相储能阶段和释能阶段的人机耦合ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析)动力学模型。然后,对被动式外骨骼机械足进行了优化:基于所建立的动力学模型分析了弹簧位置和弹簧释放角度这2个结构参数对机械足助力性能的影响规律,并结合足跟高度求得了这2个参数的最优解。最后,基于行走实验和有限元仿真分析,对被动式外骨骼机械足的强度、刚度、流畅性和舒适性等进行了优化,优化后机械足的质量约减轻500 g,安全系数达到了3.04,运行流畅性和舒适性显著提升。结果表明,释能阶段是被动式外骨骼机械足发挥作用的关键阶段;弹簧释放角度对释能阶段机械足助力性能的影响较为显著,即为影响机械足助力性能的关键参数。研究结果可为外骨骼设计提供重要参考。     

轮胎振动模态研究

轮胎动力特性是影响汽车行驶性能的重要一环。本文根据轮胎的实际结构，建立了由帘布层、带束层和橡胶层组成的轮胎复会材料力学模型，研究了轮胎的模态频率和振型，得到了与实验基本相同的结果。     

哑铃形碳化硅晶须的微观结构分析

利用透射电子显微镜观察和分析了仿生哑铃形碳化硅晶须的微观结构。这种碳化硅仿生晶须由成分和结构均不相同的两部分构成：中间是直杆状碳化硅晶须。在晶须上包裹着非晶态的念珠小球。由于成分组成的不同,念珠状小球具有均匀的和不均匀的两种微观结构;由于在其中存在大量的微孪晶、堆垛层错等缺陷,直杆状晶具有一维无序、竹节状等复杂的微观结构。在具有不同微观结构和形貌的直杆状晶须上,念珠状小球的开关和分布也有所不同。念球状小球中单质Ｓｉ的含量是影响仿生晶颜色的主要因素,Ｓｉ含量越高则仿生晶须的颜色越深。仿生晶须的生成过程是：先由气相反应生成直杆状碳化硅晶须,然后在直杆状碳化硅晶须上沉积生成非晶态念珠状小球。     

Effects of manufacturing defects on the mechanical properties of carbon fibre reinforced polyethersulphone laminates

The effects of defects on the mechanical properties of carbon fibre reinforced polyethersulphone laminates have been measured. The defects studied were cut fibre plies, omission of polymer films and local delamination produced by the inclusion of foreign matter. Of these it was found that only cut plies had a significant detrimental effect on the strength of a laminate. For specimens with two cut plies, the failure stress, tensile, flexural and compressive in the remaining continuous plies was the same as in the defect-free material, provided that the cut plies were widely separated. However the failure stresses were 15–18% lower in the continuous plies in the specimens containing two cut plies which were more closely spaced and in specimens containing four cut plies.     

仿生结构材料的研究进展

综述了贝壳珍珠层、蛛丝结构、毛竹外密内疏结构、骨骼哑铃型结构、植物的根部网状结构以及木材的年轮结构等天然生物材料的结构特征及其相应的仿生材料近年来的研究进展；展望了结构仿生材料的前景，认为应对现有生物体的结构特征与其性能的相关性进行进一步的研究，并对已经解析的结构从不同的角度构筑模型，在实际应用中寻找模型和仿生材料设计的结合点，以推动仿生材料学的发展．