本文關(guān)鍵詞：長足大象甲的特征、力學、運動特征及其仿生分析

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【摘要】：生物在與自然環(huán)境進行長期的物質(zhì)、能量及信息的交換后,造就了獨特的生物系統(tǒng)和生存本領(lǐng)來適應(yīng)生態(tài)環(huán)境,人們從中受到啟發(fā),仿生學應(yīng)運而生。鞘翅目昆蟲表現(xiàn)出的諸多優(yōu)良形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料和功能特征能為許多工程問題的解決帶來靈感。長足大象甲經(jīng)過長時間的進化,不僅能在空中飛行自如、風雨無懼,還能在土壤中挖穴筑室、化蛹過冬,同時還能在竹子表面垂直攀爬、鉆孔打洞,并且具有高效啃食竹筍的能力,其軀體各部分的宏觀形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、力學特性、功能特性等都是自然優(yōu)化的結(jié)果。但迄今為止,關(guān)于長足大象甲的研究報道主要集中在生物學特征和預(yù)測防治等方面,并無對其結(jié)構(gòu)特征及器官功能的研究。本文著眼于長足大象甲的結(jié)構(gòu)功能特性研究,旨在探索長足大象甲潛在的工程應(yīng)用價值。以其口器、頭管等取食關(guān)鍵部位和鞘翅、膜翅等飛行關(guān)鍵部位為重點研究對象,從仿生學的角度出發(fā),對其宏觀形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、納米力學特性和運動特性等方面進行了研究。首先,通過利用顯微鏡設(shè)備對長足大象甲的幾何形態(tài)參數(shù)進行了測定,并得到各部位的宏觀、微觀形態(tài)與結(jié)構(gòu)特征。接著,通過使用納米力學測試系統(tǒng),對各部位表面、斷面材料的彈性模量、接觸硬度進行了測量,比較了各部位納米力學特性的差異。然后,通過野外觀察和使用顯微鏡觀測等手段對成蟲取食運動規(guī)律進行了分析,得到成蟲取食主要是由上顎的“夾緊”動作和頭部的“扭轉(zhuǎn)”動作配合完成。同時,采用能譜儀、顯微鏡等設(shè)備以及仿真分析等手段對成蟲頭管管壁的成分、結(jié)構(gòu)和抗扭轉(zhuǎn)能力進行了分析,揭示了頭管中“結(jié)構(gòu)-材料-功能”的集成關(guān)系,并得到“多材料分層復(fù)合”和“等比例遞減分層”是成蟲頭管結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良抗扭轉(zhuǎn)特性的主要原因。此外,還采用高速攝像機等設(shè)備對成蟲的飛行運動特性進行了分析,得到了其鞘翅、膜翅在展開、折疊、飛行過程中的運動規(guī)律。由于竹象蟲幼蟲口器的切割能力顯著,本工作以其上顎為仿生原型,利用仿生方法對其進行研究,應(yīng)用計算機視覺技術(shù)對上顎切齒部分進行量化分析,結(jié)合切碎機工作原理,設(shè)計了仿生切碎刀片,并以高效節(jié)能為目的,對其進行優(yōu)化。利用仿真分析手段,通過對仿生切碎刀片的靜態(tài)、動態(tài)力學特性進行分析,檢驗了其設(shè)計的合理性。根據(jù)試驗要求,搭建了專用切碎測試平臺,并在此平臺上進行了一系列蔬菜樣品切碎試驗,通過比較不同刀片的作業(yè)性能,從而驗證了仿生切碎刀片具有高效率低能耗的特性。這為研發(fā)高效節(jié)能型的果蔬類專用切碎機具提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持,從而促進果蔬資源合理化利用以及解決相關(guān)生產(chǎn)生活的迫切需求。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：Q811;S220

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