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一种植物组织二维重建算法及仿王棕叶柄的蜂窝梁设计

2020-12-08阅读(561)

一种植物组织二维重建算法及仿王棕叶柄的蜂窝梁设计

论文摘要

自然界植物的多尺度结构与其力学性能之间的良好自适应关系为工程仿生设计提供了灵感,而植物中尺度下的组织重建及力学性能计算是实现多尺度仿生设计的重要纽带。本文针对现有植物组织重建算法的不足,提出基于虚拟分割法的距离权重重建算法。同时,选取王棕叶柄结构作为研究对象,通过多尺度结构建模,对叶柄中维管束组织的结构特征和力学性能进行分析,探究其多尺度结构与其力学性能的关系。随后,将其结构特征应用于蜂窝夹层板的结构设计中,提高夹层板的抗弯曲和抗扭转性能。最后,基于王棕的应力环境、构型与风力机叶片的相似性,将仿生蜂窝板结构应用于风力机叶片的腹板结构设计中,提高叶片结构的弯扭载荷承载能力。本文的主要研究内容如下:（1）植物组织重建算法开发传统算法难以准确重建植物中的细长细胞以及内凹型结构,对此本文提出了基于虚拟分割优化的Delaunay三角剖分;针对相邻细胞面积大小差异过大的结构,在面积权重（area weighted tesselation,AWT）算法基础上提出了距离权重分割（distance weighted tesselation,DWT）算法,实现了这一类结构的有效重建;提出了一种有限边界的识别和重建方法,对于不同类型边界的组织均可实现较好的边界重建效果,从而获得了一种适用范围更广的高精度重建算法——Optimized Distance Weighted Tesselation（ODWT）。ODWT算法与经典的Voronoi剖分算法（Centroid-based Voronoi tesselation,CVT）和面积权重算法（AWT）相比,具有明显的优势。（2）重建算法对多尺度建模力学性能预测精度的影响使用CVT算法和本文提出的ODWT重建算法对王棕叶柄维管束组织进行三维重建,并将维管束组织的细胞壁等效为多层层合板,采用具有中间层的层合板模型对维管束组织进行力学建模。采用有限元法对维管束单元各向异性拉伸模量进行了仿真计算,并对CVT算法和ODWT算法重建模型的仿真预测值进行对比,分析重建模型对多尺度建模力学性能预测精度的影响。最后对叶柄组织进行拉伸实验,研究了不同含水率下叶柄组织力学性能的变化规律,并对有限元仿真的结果进行了对比,验证了ODWT算法重建模型的准确性。（3）王棕叶柄横截面维管束微观参数的梯度变化及其对于叶柄力学性能的影响根据王棕叶柄组织结构的梯度变化将其横截面分为三个区域,并在三个区域内分别采集样品。通过单根维管束拉伸实验计算了叶柄截面的三个分区纵向拉伸性能,并研究了维管束截面积对其弹性模量的影响。通过多尺度建模方法分别建立三个不同区域维管束单元的力学模型,分析不同区域维管束纤维弹性模量的差异性以及微观结构参数对于维管束力学性能的影响。根据叶柄实际尺寸建立叶柄分段模型,仿真分析了梯度刚度分布对于其弯曲扭转性能的影响。（4）梯度蜂窝板结构参数设计及其在风力机叶片腹板结构的应用基于王棕叶柄的结构特征,利用厚度梯度分布思想对蜂窝夹层板进行参数设计,得到两种梯度蜂窝板:线性梯度蜂窝板和等比例梯度蜂窝板,并通过仿真和实验对其抗弯和抗扭刚度进行分析,最后将其应用于风力机叶片的腹板设计中;通过三点弯曲、弯扭耦合仿真,发现厚度梯度分布可以提高叶片的抗弯和抗扭刚度,并使得应力分布更加均匀。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 引言
  •   1.2 植物组织多尺度研究和建模方法
  •     1.2.1 植物细胞壁结构的建模
  •     1.2.2 植物组织的模型重建
  •     1.2.3 棕榈类植物组织力学性能的研究现状
  •   1.3 植物仿生和蜂窝夹层板结构设计
  •     1.3.1 植物仿生和结构梯度的研究现状
  •     1.3.2 蜂窝夹层板结构设计与风力机叶片的仿生设计
  •   1.4 论文的研究目标和主要研究内容
  •     1.4.1 课题来源
  •     1.4.2 研究目标
  •     1.4.3 研究内容
  • 第二章 植物组织重建算法的开发
  •   2.1 引言
  •   2.2 植物细胞多孔组织的二维截面重建算法
  •     2.2.1 二维截面重建算法的步骤
  •     2.2.2 距离权重分割
  •     2.2.3 细胞区域的虚拟分割
  •     2.2.4 有限边界的识别与重建
  •   2.3 ODWT方法的建模效果及与CVT和 AWT的比较
  •     2.3.1 植物组织的选择和统计方法
  •     2.3.2 案例研究1:胡萝卜组织的重建对比
  •     2.3.3 案例研究2:浸渍后的玉米维管束组织的重建对比
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 重建算法对多尺度建模力学性能预测精度的影响研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 叶柄维管束组织的结构重建
  •     3.2.1 叶柄维管束图片的获取与处理
  •     3.2.2 叶柄维管束模型细胞壁材料属性的计算与设置
  •   3.3 维管束单元的有限元仿真分析
  •     3.3.1 边界条件设置与网格独立性分析
  •     3.3.2 有限元计算结果与讨论
  •   3.4 王棕叶柄组织在不同含水率下力学性能的实验研究
  •     3.4.1 叶柄组织拉伸试件的获取和处理
  •     3.4.2 叶柄组织样品的拉伸实验
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 王棕叶柄横截面不同区域维管束组织的力学性能差异性
  •   4.1 引言
  •   4.2 不同区域单个维管束纤维的拉伸实验研究
  •     4.2.1 单个维管束纤维样品的获取和处理
  •     4.2.2 维管束纤维的拉伸实验
  •   4.3 横截面不同区域的维管束纤维多尺度仿真模拟
  •     4.3.1 横向不同区域的维管束纤维的选取和模型的建立
  •     4.3.2 横截面不同区域的维管束纤维的属性设置与仿真分析
  •   4.4 维管束组织不同结构参数的差异对力学性能的影响分析
  •     4.4.1 维管束组织细胞的壁厚对其力学性能的影响
  •     4.4.2 维管束不同区域的面积占比对其力学性能的影响
  •   4.5 叶柄结构的力学性能分析
  •   4.6 本章小结
  • 第五章 梯度蜂窝板的仿生设计及其在风力机叶片腹板结构的应用
  •   5.1 引言
  •   5.2 蜂窝夹层板的梯度厚度分布对其力学性能的影响
  •     5.2.1 蜂窝夹层板的梯度厚度分布的参数设计
  •     5.2.2 仿生梯度蜂窝夹层板的弯曲和扭转变形仿真对比
  •   5.3 梯度蜂窝芯力学性能的仿真分析与实验检验
  •     5.3.1 蜂窝芯样品的制取与实验设置
  •     5.3.2 仿真分析与实验验证
  •   5.4 梯度蜂窝夹芯风力机叶片主梁腹板结构设计
  •     5.4.1 主梁腹板结构的设计
  •     5.4.2 三点弯和弯扭耦合加载仿真
  •     5.4.3 梯度蜂窝芯与PVC泡沫芯材的对比
  •   5.5 本章小结
  • 结论与展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间取得的研究成果
  • 致谢
  • 附件

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 张凌

    导师: 刘旺玉

    关键词: 棕榈植物,重建算法,多尺度建模,力学性能,仿生设计

    来源: 华南理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 生物学,生物学,计算机软件及计算机应用

    单位: 华南理工大学

    基金: 国家自然科学基金面上项目《农作物茎秆多尺度结构与茎倒伏力学性能关系》(项目编号:11572128)

    分类号: Q811;TP301.6

    DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.003801

    总页数: 99

    文件大小: 16436K

    下载量: 33

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