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《吉林大学》 2017年
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长足大象甲的特征、力学、运动特征及其仿生分析

许顺  
【摘要】:生物在与自然环境进行长期的物质、能量及信息的交换后,造就了独特的生物系统和生存本领来适应生态环境,人们从中受到启发,仿生学应运而生。鞘翅目昆虫表现出的诸多优良形态、结构、材料和功能特征能为许多工程问题的解决带来灵感。长足大象甲经过长时间的进化,不仅能在空中飞行自如、风雨无惧,还能在土壤中挖穴筑室、化蛹过冬,同时还能在竹子表面垂直攀爬、钻孔打洞,并且具有高效啃食竹笋的能力,其躯体各部分的宏观形态、微观结构、力学特性、功能特性等都是自然优化的结果。但迄今为止,关于长足大象甲的研究报道主要集中在生物学特征和预测防治等方面,并无对其结构特征及器官功能的研究。本文着眼于长足大象甲的结构功能特性研究,旨在探索长足大象甲潜在的工程应用价值。以其口器、头管等取食关键部位和鞘翅、膜翅等飞行关键部位为重点研究对象,从仿生学的角度出发,对其宏观形态、微观结构、纳米力学特性和运动特性等方面进行了研究。首先,通过利用显微镜设备对长足大象甲的几何形态参数进行了测定,并得到各部位的宏观、微观形态与结构特征。接着,通过使用纳米力学测试系统,对各部位表面、断面材料的弹性模量、接触硬度进行了测量,比较了各部位纳米力学特性的差异。然后,通过野外观察和使用显微镜观测等手段对成虫取食运动规律进行了分析,得到成虫取食主要是由上颚的“夹紧”动作和头部的“扭转”动作配合完成。同时,采用能谱仪、显微镜等设备以及仿真分析等手段对成虫头管管壁的成分、结构和抗扭转能力进行了分析,揭示了头管中“结构-材料-功能”的集成关系,并得到“多材料分层复合”和“等比例递减分层”是成虫头管结构具有优良抗扭转特性的主要原因。此外,还采用高速摄像机等设备对成虫的飞行运动特性进行了分析,得到了其鞘翅、膜翅在展开、折叠、飞行过程中的运动规律。由于竹象虫幼虫口器的切割能力显著,本工作以其上颚为仿生原型,利用仿生方法对其进行研究,应用计算机视觉技术对上颚切齿部分进行量化分析,结合切碎机工作原理,设计了仿生切碎刀片,并以高效节能为目的,对其进行优化。利用仿真分析手段,通过对仿生切碎刀片的静态、动态力学特性进行分析,检验了其设计的合理性。根据试验要求,搭建了专用切碎测试平台,并在此平台上进行了一系列蔬菜样品切碎试验,通过比较不同刀片的作业性能,从而验证了仿生切碎刀片具有高效率低能耗的特性。这为研发高效节能型的果蔬类专用切碎机具提供理论基础与技术支持,从而促进果蔬资源合理化利用以及解决相关生产生活的迫切需求。
【关键词】:长足大象甲 表面形态 纳米力学 运动力学 仿真分析 仿生设计
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:Q811;S220
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-13
  • 第1章 绪论13-23
  • 1.1 仿生学研究13-15
  • 1.1.1 仿生学的起源与定义13-14
  • 1.1.2 仿生学在工程技术领域的研究进展14-15
  • 1.2 鞘翅目昆虫在仿生工程中的研究现状15-19
  • 1.2.1 甲虫鞘翅15-17
  • 1.2.2 甲虫后翅17-18
  • 1.2.3 其它18-19
  • 1.3 长足大象甲的研究现状19-20
  • 1.4 本研究工作的意义及目的20
  • 1.5 本研究工作的主要内容20-23
  • 第2章 竹象虫取食、飞行关键部位的形态特征分析23-41
  • 2.1 引言23
  • 2.2 试验仪器与方法23-24
  • 2.2.1 试验材料23
  • 2.2.2 试验仪器23-24
  • 2.2.3 试验方法24
  • 2.3 结果与讨论24-40
  • 2.3.1 竹象虫概况24-26
  • 2.3.2 幼虫头部与口器26-27
  • 2.3.3 成虫口器27-30
  • 2.3.4 成虫头管30-32
  • 2.3.5 成虫前胸背板32-37
  • 2.3.6 成虫鞘翅和膜翅37-39
  • 2.3.7 成虫腹部39-40
  • 2.4 本章小结40-41
  • 第3章 竹象虫取食、飞行关键部位的纳米力学特性分析41-59
  • 3.1 引言41
  • 3.2 试验原理与方法41-52
  • 3.2.1 试验设备与试验原理41-45
  • 3.2.2 样品制备45-48
  • 3.2.3 试验方法48-52
  • 3.3 试验结果与讨论52-56
  • 3.3.1 幼虫上颚的纳米力学特性分析52-53
  • 3.3.2 成虫上颚的纳米力学特性分析53
  • 3.3.3 成虫头管的纳米力学特性分析53-55
  • 3.3.4 成虫前胸背板的纳米力学特性分析55
  • 3.3.5 成虫鞘翅和膜翅的纳米力学特性分析55-56
  • 3.4 本章小结56-59
  • 第4章 竹象虫取食、飞行关键部位的运动特性分析59-83
  • 4.1 引言59
  • 4.2 上颚的运动特性59-62
  • 4.2.1 试验仪器60
  • 4.2.2 试验样品与方法60-61
  • 4.2.3 试验结果与讨论61-62
  • 4.3 头管的力学特性62-73
  • 4.3.1 试验仪器与方法63
  • 4.3.2 试验结果与讨论63-67
  • 4.3.3 仿真分析67-70
  • 4.3.4 仿真结果与讨论70-73
  • 4.4 鞘翅膜翅的运动特性73-80
  • 4.4.1 试验仪器73
  • 4.4.2 试验样品与方法73-74
  • 4.4.3 试验结果与讨论74-80
  • 4.5 本章小结80-83
  • 第5章 基于竹象虫幼虫上颚的仿生研究83-121
  • 5.1 引言83-85
  • 5.2 仿生对象的量化分析85-88
  • 5.2.1 量化分析的思路85-86
  • 5.2.2 计算机视觉技术与结果86-87
  • 5.2.3 特征曲线的拟合87-88
  • 5.3 碎菜刀片的仿生设计88-96
  • 5.3.1 设计思路88-89
  • 5.3.2 设计依据89-91
  • 5.3.3 优化设计与结果91-96
  • 5.4 刀片力学特性有限元分析96-104
  • 5.4.1 静力学分析96-98
  • 5.4.2 模态分析98-100
  • 5.4.3 非线性动力学分析100-104
  • 5.5 刀片加工104
  • 5.6 试验平台的设计104-108
  • 5.6.1 设计原理104-105
  • 5.6.2 碎菜执行系统105-106
  • 5.6.3 数据采集系统106-108
  • 5.6.4 产品粒度分析系统108
  • 5.7 试验参数的优选108-111
  • 5.7.1 试验目的与方案108-109
  • 5.7.2 试验样品109
  • 5.7.3 试验流程109
  • 5.7.4 试验结果与讨论109-111
  • 5.8 碎菜对比试验111-119
  • 5.8.1 试验目的与方案111-112
  • 5.8.2 实验结果与讨论112-119
  • 5.9 本章小结119-121
  • 第6章 结论与展望121-125
  • 6.1 主要结论121-123
  • 6.2 创新之处123
  • 6.3 研究展望123-125
  • 参考文献125-137
  • 导师简介137-153
  • 作者简介及在学期间所取得的科研成果153-155
  • 致谢155-156

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