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     

整合结构的仿生设计

自从1981年Cyril Stanley Smith基于系统方法学提出材料的功能、性能、结构与制造整合链模型以来,面向机器和临床实践的仿生设计得到广泛研究．整合结构的概念来源于生物科学,它表示将不同的结构组合在一起而成为一种新型的结构．典型的整合结构有梯度结构、多孔结构、分形结构与复合结构等．由于自然材料结构的几十亿年的进化,病毒、细菌、植物与动物组织的自然结构与人造机械结构相比,具有明显的优越性．     

仿生纳米结构材料

自然界中有很多值得人类借鉴的地方。在几千万年的进化过程中,生物体创造出各自独特的功能,如坚硬的贝壳、绚丽的色彩等。当前的研究表明,这些独特的性能都与生物体自身在微观尺度上的材料组装结构有关。随着纳米技术的发展,现代纳米材料的应用逐渐摆上议事日程。而在众多纳米材料的特殊性质中,通过特定的组装方法将材料加工成特殊的结构,并显示出微观和宏观的双重功能,正逐渐成为当前材料科学研究的热点之一。模拟生物矿化是其中的重点研究方向之一。通过对贝壳等生物矿物组织和结构的研究,探讨其生长机理,从而发掘出合适的化学和物理组装方法,构筑类似依靠生命体所创造的材料正是目前模拟生物矿化的工作重点。本文从生物体中的纳米现象出发,阐述了生物体合成纳米材料的过程,及其对现代纳米材料研究的借鉴作用。     

仿生设计在汽车造型设计中应用的内容分析

以汽车造型设计中的形态仿生设计为启示,分析了汽车造型设计中的美学规律和汽车造型设计中的色彩仿生设计,论述了汽车造型设计中的功能仿生设计特点和汽车造型设计中的结构仿生设计特点,提出了仿生设计的基本方法,并通过具体案例,分析我国汽车造型设计领域里导入仿生设计这一设计手段的可行性和意义。     

逆向工程在产品仿生设计中的应用研究

从逆向工程与形态、结构、功能仿生的关系出发,分析了运用逆向工程技术进行仿生设计的实现方法,同时结合生物样本与逆向工程技术仿生设计出产品实体模型,在此基础上,利用模型分析功能对模型进行了分析与优化,使其在保证仿生功能的前提下具有流线型的外观,最后利用快速成型技术制作出样件来验证设计的合理性。此设计方式为产品创新设计提供了一种新的手段,缩短了设计时间,保证了产品设计的成功率。     

从生物到产品的仿生设计程序

从对自然生物的观察积累与研究发现中得到启示,分析被仿生对象的生物概念,进而寻求对应的生物特征,并结合课程实践案例,对从生物到产品的仿生设计程序进行分析,为产品仿生设计教学提供新的程序和借鉴手法。     

天然铠甲高效防护的材料学机理

总结了天然铠甲材料的三种共性组织结构特征及其内在强韧化机理,归纳出三种典型的生物力学效应,包括梯度结构取向效应、原位结构再取向效应和多级"缝合"界面效应,并提出了相应的仿生材料结构优化设计原则.生物力学理论的完善和多种仿生结构的综合应用,有利于使用新型仿生材料更好地解决实际工程问题.     

结构仿生材料的研究进展

自然界中生物体的优异结构和特性给人类研究材料带来了灵感和启发.借鉴这些生物体的优秀结构特征是结构仿生材料的主要设计思想和方法.重点阐述了仿生增韧陶瓷材料、仿生粘附材料、仿生减阻材料、仿生减振材料和仿生系统应用在设计和制备方面的研究进展,并展望了结构仿生材料的发展前景,强调了多学科协作的重要性.     

动态仿生设计手法初探

确定动态仿生设计的概念和范畴,通过分析现有的动态仿生产品,归纳出动态仿生设计的三类主要手法,包括外形结构变化式手法、传神意象式手法和移植现代、后现代艺术手法,并总结出这些手法的特点和应用方式,以期为动态仿生设计的研究起到抛砖引玉的作用.     

Structural Design Elements in Biological Materials: Application to Bioinspiration

Eight structural elements in biological materials are identified as the most common amongst a variety of animal taxa. These are proposed as a new paradigm in the field of biological materials science as they can serve as a toolbox for rationalizing the complex mechanical behavior of structural biological materials and for systematizing the development of bioinspired designs for structural applications. They are employed to improve the mechanical properties, namely strength, wear resistance, stiffness, flexibility, fracture toughness, and energy absorption of different biological materials for a variety of functions (e.g., body support, joint movement, impact protection, weight reduction). The structural elements identified are: fibrous, helical, gradient, layered, tubular, cellular, suture, and overlapping. For each of the structural design elements, critical design parameters are presented along with constitutive equations with a focus on mechanical properties. Additionally, example organisms from varying biological classes are presented for each case to display the wide variety of environments where each of these elements is present. Examples of current bioinspired materials are also introduced for each element.     

论分布式陀螺柔性体结构的动力学建模问题

针对含分布式控制力矩陀螺的柔性体结构动力学建模问题,研究了结构和陀螺之间相互耦合对结构固有振动的影响。通过基于有限元离散的建模思路,获得了含分布式控制力矩陀螺的结构动力学模型。对比模态叠加方法,提出原柔性体模态的概念。结果表明,分布控制力矩陀螺对结构固有振动产生了本质的影响。基于原柔性体结构前几阶模态的模态叠加法,由于没有计入结构和陀螺之间的耦合效应,所得到结构动力学降阶模型具有较大误差。     

Bioinspired Synthesis of Monolithic and Layered Aerogels

Aerogels are the least dense and most porous materials known to man, with potential applications from lightweight superinsulators to smart energy materials. To date their use has been seriously hampered by their synthesis methods, which are laborious and expensive. Taking inspiration from the life cycle of the damselfly, a novel ambient pressure‐drying approach is demonstrated in which instead of employing low‐surface‐tension organic solvents to prevent pore collapse during drying, sodium bicarbonate solution is used to generate pore‐supporting carbon dioxide in situ, significantly reducing energy, time, and cost in aerogel production. The generic applicability of this readily scalable new approach is demonstrated through the production of granules, monoliths, and layered solids with a number of precursor materials.     

柔性基础混合隔振系统建模与控制研究

实际的混合隔振系统一般由刚体振源、弹性安装基础以及连接它们的隔振器、作动器构成,是一个复杂的具有刚柔耦合特性的无限维分布参数系统。为了兼顾系统建模的准确性和控制器设计的方便性,采用子结构模态综合法对柔性基础混合隔振系统进行了建模,并与ANSYS建立的有限元模型进行了对比,在验证了模型有效性的基础上,基于修正的独立模态控制算法对混合隔振系统进行了控制设计和仿真分析,结果表明设计的混合隔振系统能够有效地减小基础的振动响应,且隔振效果优于被动隔振系统。     

陶瓷-金属复合材料在防弹领域的应用研究

陶瓷-金属复合材料具备高硬度、高强度、高韧性以及低密度的优点,已被广泛应用于防弹领域.介绍了几种陶瓷-金属复合装甲形式及其相应特点,重点论述了陶瓷-金属功能梯度装甲的研究进展,并对其前景和当前的工作重点进行了讨论.     

On the development of colloidal nanoparticles towards multifunctional structures and their possible use for biological applications

In this Review, we describe the synthesis of high-quality colloidal nanoparticles in organic solvents, the mechanisms by which they can be transferred into aqueous solution, and some of their applications in biology. In particular, we will place emphasis on the creation of multifunctional nanoparticles or nanoparticle assemblies.     

基于有限元分析的高精密柔性夹具优化方案设计

针对高精密加工过程中柔性夹具的变形问题进行理论计算和实验分析.首先应用CAE软件对现有柔性夹具进行有限元分析,分析夹具变形问题.然后通过CAD软件改变该夹具模型的结构参数和尺寸参数,优化夹具构造,以减少定位过程的夹具变形,并再次通过CAE软件进行分析,验证优化效果.通过增加夹具体主平面刚度、增加夹具体肋板刚度和改变夹具定位点位置等方法,实现夹具体的最大变形量满足加工精度的要求.实验分析以定位点变形为研究对象,测量得到4个定位点在夹具装夹过程中的变形量.实验结果基本符合理论计算结果,得到最终优化方案的4个定位点变形量均小于001 mm,满足了该高精密加工中对夹具体的精度要求.优化方案在实际生产中得到实施,效果良好.     

Microstructures of chafer cuticle and biomimetic design

Insect cuticle has high strength and high fracture-toughness. The superior material properties are closely related to the various particular microstructures in the cuticle, which has passed through natural optimization for thousands of years. In this work, a scanning electron microscope (SEM) was used for observing the various microstructures in a chafer cuticle. The observation revealed that there are several special microstructures that include helicoidal layups, round-hole-fiber arrangements and branched fibers in the cuticle. These microstructures were analyzed in order to learn more about the strength and toughness mechanisms of these microstructures. Several biomimetic composites were then designed and fabricated with special processes and moulds. Obtained biomimetic composites were tested for investigating their strength and toughness and then compared with those of conventional man-made composites. It was shown that the mechanical properties of the biomimetic composites are remarkably better than those of the corresponding conventional man-made composites.