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河鲀皮肤组织力学和接触角特性测量及其仿生减阻应用

2020-12-08阅读(543)

河鲀皮肤组织力学和接触角特性测量及其仿生减阻应用

论文摘要

国家的综合国力与海洋经济和国防紧紧相连,而水下航行器例如潜艇、游轮等在这个发展战略中有着非常重要的地位,所以需要通过一定手段来减小水下航行器在行进过程中所受到的水的阻力。受河鲀在水中游动时具有洄游特性的启发,选取河鲀皮肤为研究对象,基于河鲀皮肤结构与生物力学理论基础,开展了一系列河鲀皮肤生物力学性能测试实验,具体研究内容如下:（1）对河鲀皮肤进行了准静态拉伸、加载-卸载、应力松弛、蠕变实验等。获取了河鲀皮肤的应力,应变和时间的分布及三者的变化规律,分别采用Mooney-Rivlin和Zener方程构建河鲀皮肤不同位置（河鲀背部、河鲀腹部）、不同方向（横向、纵向）的准静态拉伸与松弛本构关系,为河鲀皮肤的生物力学特性的深入研究和实际工程应用提供了支撑。（2）在Theta lite接触角测量仪上对河鲀背部皮肤和腹部皮肤进行润湿性的测量。测量时在河鲀皮肤被测试样表面间隔取3个点,在每个取点位置测量三次取其平均值,以减少实验误差。影响河鲀皮肤被测试样的接触角大小的因素主要有河鲀皮肤位置、体表黏液、骨刺、湿润程度以及测量液滴体积大小。并根据接触角测量的结果,分析各个因素对于河鲀皮肤接触角数值的影响程度,并总结接触角大小在这些因素下的变化规律,最后阐述河鲀皮肤体表黏液的减阻机理。（3）基于所测得的河鲀皮肤生物力学实验数据,采用流固耦合数值模拟方法对河鲀皮肤不同位置（河鲀背部、河鲀腹部）、不同方向（横向、纵向）的材料特性进行分析,主要研究河鲀皮肤不同位置、不同方向对平板构件减阻性能的影响及作用机理,并选取其他刚性材料作为参照与河鲀皮肤的减阻效果进行对比,从宏观上分析河鲀皮肤不同位置、不同方向对于减阻效果的影响,结果表明河鲀腹部纵切材料参数的减阻效果最好,达到了5.45%。（4）选取减阻效果最好的河鲀腹部纵切材料在不同厚度、不同来流速度下进行流固耦合分析,结果表明厚度越大,其减阻效果越好。且在不同范围的水流速度变化下,减阻率的变化规律也是不同的。最后从微观上去探讨在河鲀腹部皮肤纵切材料参数下流固耦合域的局部减阻规律,最后去探讨柔性皮肤的减阻机理。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 研究背景与研究意义
  •   1.2 皮肤组织力学特性国内外研究现状
  •     1.2.1 生物皮肤微观结构
  •     1.2.2 生物皮肤单轴拉伸力学特性及各向异性
  •     1.2.3 生物皮肤应力松弛及蠕变特性
  •     1.2.4 仿生物皮肤结构的应用
  •   1.3 生物皮肤接触角特性研究现状
  •   1.4 流固耦合理论研究进展及应用
  •     1.4.1 流固耦合理论与方法
  •     1.4.2 柔性结构与流体耦合系统的研究现状
  •   1.5 本文的主要研究内容
  • 第2章 河鲀皮肤拉伸力学性能测量与分析
  •   2.1 引言
  •   2.2 研究基础
  •     2.2.1 河鲀皮肤结构基础
  •     2.2.2 生物力学理论基础
  •   2.3 准静态拉伸实验
  •     2.3.1 实验原理与实验设计
  •     2.3.2预拉伸实验
  •     2.3.3 试样制作与实验方法
  •     2.3.4 实验结果与分析
  •   2.4 加载-卸载实验
  •     2.4.1 试样制作与实验设计
  •     2.4.2 实验结果与分析
  •   2.5 本章小结
  • 第3章 河鲀皮肤黏弹性性质测量与分析
  •   3.1 引言
  •   3.2 应力松弛实验
  •     3.2.1 实验原理与实验设计
  •     3.2.2 实验结果与分析
  •   3.3 单步蠕变实验
  •     3.3.1 实验原理与实验设计
  •     3.3.2 实验结果与分析
  •   3.4 多步蠕变实验
  •     3.4.1 实验原理与实验设计
  •     3.4.2 实验结果与分析
  •   3.5 本章小结
  • 第4章 河鲀皮肤接触角测量与分析
  •   4.1 引言
  •   4.2 河鲀皮肤接触角特性测量方案
  •     4.2.1 实验原理与实验设计
  •     4.2.2 试样制作与实验装置
  •     4.2.3 实验方法
  •     4.2.4 河鲀皮肤接触角测量结果
  •   4.3 河鲀皮肤接触角测量影响因素分析
  •     4.3.1 皮肤干燥程度对实验结果的影响
  •     4.3.2 骨刺对实验结果的影响
  •     4.3.3 黏液对实验结果的影响
  •     4.3.4 液滴大小对实验结果的影响
  •   4.4 河鲀体表黏液减阻机理分析
  •   4.5 本章小结
  • 第5章 河鲀柔性皮肤流固耦合数值模拟方法
  •   5.1 概述
  •   5.2 基于拉伸实验结果的仿生减阻试验方案
  •     5.2.1 仿真原理
  •     5.2.2 模型构建与边界条件设置
  •     5.2.3 数值模拟求解方案
  •   5.3 结果分析
  •     5.3.1 柔性程度与减阻性能关系分析
  •     5.3.2 厚度与减阻性能关系分析
  •     5.3.3 不同来流速度与减阻性能关系分析
  •   5.4 本章小结
  • 总结与展望
  •   本文工作总结
  •   后续工作展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间取得的研究成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 沈迪

    导师: 景旭文

    关键词: 仿生减阻,生物力学,各向异性,河鲀皮肤,接触角,流固耦合

    来源: 江苏科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,医药卫生科技

    专业: 生物学,生物医学工程

    单位: 江苏科技大学

    分类号: Q811

    DOI: 10.27171/d.cnki.ghdcc.2019.000245

    总页数: 74

    文件大小: 2709K

    下载量: 48

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