摘要：该文针对高性能短纤维交错排布复合材料的刚度预测发展了三维"拉伸-剪切链"模型,并通过了有限元(FEM)计算验证,能够合理地预测短纤维交错排布复合材料的等效模量。验证结果显示,对于纤维长细比的变化、纤维体积含量的变化、纤维和基体间弹性模量比的变化,三维"拉伸-剪切链"模型都可以给出合理的预测,为短纤维交错排布复合材料的刚度设计提供了理论指导和参考依据。研究还显示,同样纤维体积含量和长细比下短纤维交错排布复合材料的等效模量远大于短纤维对齐排布的等效模量,说明了短纤维交错排布结构的优越性。

摘要：快速衰减应力波的冲击防护复合材料在民防、装甲、舰船等许多工业领域有着巨大的需求。受蜻蜓翅膀的启发,本文提出了基于颗粒局域共振原理的仿生微结构防护复合材料设计。研究发现:(1)当入射波频率接近局域共振单元的固有频率时,局域共振机制被最大程度激发,大量的入射应力波能量转化为颗粒的机械能;(2)单元固有频率随重芯直径、密度、软涂层厚度增大而减小,随软涂层弹性模量增大而增大;(3)在复合材料中引入不同固有频率单元的混杂设计,可以实现对宽频域入射应力波的高效衰减。本研究对于利用局域共振原理和仿生微结构开发设计高性能冲击防护复合材料具有指导意义。

摘要：目的具有交叉层状结构的软体动物壳由于其优异的机械性能而引起了广泛的关注。有趣的是,本研究的实验发现,陆地蜗牛(白玉蜗牛)壳具有三层交叉层状结构,而海螺(锡兰东风螺)壳则呈现两层交叉层状结构。方法它们为何不同,哪一种在机械设计上更胜一筹?为了回答这些问题,通过扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕和三点弯曲测试对这两种壳的微观结构和微观/宏观力学性能进行了比较表征。结果和结论实验结果表明,海螺壳比陆地蜗牛壳表现出更好的机械性能,但更厚、更重。为了进一步阐明它们在机械设计方面的相对优势,通过有限元法(FEM)进行了计算机模拟实验,以比较三层和两层交叉层状设计的机械性能,排除宏观几何形状和成分材料的影响。令人惊讶的是,结果表明陆地蜗牛设计明显优于海蜗牛设计,尤其是在强度方面。对于陆地蜗牛和海洋蜗牛的生存环境不同,这可能源于陆地蜗牛追求更轻、更坚固的外壳以实现相对更快的运动的更高的生存和进化压力。这些发现不仅有助于了解陆地和海洋蜗牛壳微观结构设计的差异,而且为开发不同功能的仿生复合材料提供有用的提示。

摘要：对于复合材料微结构设计,笔者注意到在利用两相或多相普通材料来制备高性能复合材料方面,大自然给出了非常好的范例。笔者开设了复合材料力学设计课程,旨在培养学生们对这一新型仿生设计有更多理解。因此,本文提出了一种预浸料自动铺设仿龙虾钳表皮螺旋微结构设计平台,使同学们在课堂上实现精确的预浸料铺设角度的控制,为仿照生物组织中螺旋微结构来优化层合板力学性能等教学思路提供了可行的实验条件。

摘要：论文建立了珍珠母矿物质板相对滑移时表面矿物凸起相互攀爬摩擦的理论模型,得到了界面等效摩擦性能可以表示为两个无量纲参数的函数:凸起高宽比α=A/l、凸起高度与板厚度比β=A/D.理论预测与有限元模拟结果对比,两者符合良好,验证了理论模型的有效性.通过理论和计算分析,得到以下结论:(1)矿物质板表面凸起的存在对板间界面摩擦起到了显著的增强作用;(2)等效界面摩擦系数随α增大而增大,但与β无关;(3)α和β的提高均能提高界面等效剪切强度和摩擦耗能.该研究揭示了矿物质板表面凸起的微结构特征对界面摩擦耗能机制的影响规律,对于理解珍珠母贝壳等承力生物材料的界面增强增韧机理和指导相关仿生复合材料的设计有重要意义.

摘要：本文首先研究了车灯线光源上各点有效投射点集合变化的规律,进行了合理的区域划分;在此基础上,建立了问题的最小化模型,然后通过数形结合的方法,解得线光源最佳长度1=3.8mm和相应最小功率P_(min)=7210。在此最佳长度下,利用平面镜成像原理和Matlab软件,采用"模拟散斑"的方法,给出了反射光的亮区图形。该模型简单直观,亦可推广应用于太阳能热水器、电视机接收天线等相似领域。

摘要：目的虽然人们普遍认为硬物质板的表面凸起在珍珠层的硬化、强化和增韧中起着重要作用,但它们的影响仍有待进一步的深入研究。方法对于具有多个微纳米凸起的硬物质板相互滑动时,采用了一种计算高效的“Bar-Spring”模型来模拟贝壳珍珠层或类似珍珠层仿生复合材料的等效拉伸力学性能,如等效牵引力-位移曲线以及等效拉伸刚度、强度和断裂功。该模型采用了基于单个凸起对的运动学和变形分析的微观力学模型得出的等效内聚力关系来表征凸起对之间相互攀爬过程中的牵引力-位移关系。结果和结论矿物凸起和由此产生的界面粗糙度可以通过机械互锁和多模态类摩擦机制的组合,将复合材料的强度和韧性提高2~3个数量级。特别的,矿物凸起诱导的强化和增韧机制对凸起的形状并不敏感(椭圆、双曲余弦、余弦和抛物线等)。相反,矿物凸起的高宽比和分布密度(单位长度界面上的矿物凸起数量)对复合材料刚度、强度和韧性的增强效果有明显的影响。因此,复合材料可以通过微结构的设计(界面的粗糙度)而实现高强、高韧的优异力学性能,这些发现可能为开发具有贝壳珍珠层界面设计的先进工程复合材料提供有用的指导。

摘要：薄膜-基底黏附系统被广泛应用于各个领域,且由于场景和功能性的要求,黏附强度的可控设计尤为重要。在自然界中,许多像壁虎这样的生物不仅能牢固地黏附在表面并且也能从表面快速脱黏。这些生物的黏附系统的黏附单元通常是非均质的,这启发了研究者去设计具有异质性的黏附系统来定向增强黏附,即从一个方向剥离的剥离力增大,而从另一个方向剥离的剥离力减小。然而实验测得的黏附强度明显低于理论预测。这种差异很可能来源于实际中存在的内聚区,因为这在以往的理论模型中是被忽略的。为了阐明内聚区的影响,基于能量法建立了半解析的模型。由两段均质薄膜(弯曲刚度为D_1和D_2)组成的异质薄膜被黏附在刚性基底上且与基底之间存在有限尺寸的内聚区。推导出的特征剥离力是两个无量纲参数的函数,(γδ_c^(2))/D_2和D_1/D_2。前者体现了内聚区的影响,后者为薄膜的异质性。对于均质薄膜(D_1=D_2),特征剥离力是与刚度无关的常量。当D_1大于D_2,从第2到第1段剥离时,剥离力出现峰值,表明黏附增强。当D_1小于D_2,从第2段到第1段剥离时,剥离力出现谷值,表明黏附减弱。进一步的结果表明,内聚区和异质性对薄膜的黏附增强都有重要影响,且内聚区往往会削弱薄膜的异质性所带来的黏附增强作用。内聚区对黏附减弱的作用不大。本研究首次系统地揭示了内聚区对仿生异质薄膜剥离行为的影响,为仿生薄膜-基底黏附系统的设计提供了有益的指导。

摘要：本文从动态的角度分析了圆刻机在连续刻划时轴系误差与转速的变化关系，并求得系统的固有圆频率，为圆刻机的设计改造提供了一条理论依据。