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《吉林大学》 2013年
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几种蝗虫跳跃行为研究及其跳跃足生物材料力学分析

卢鑫  
【摘要】:跳跃式昆虫历经亿万年的自然选择,具有优越的跳跃性能,体型较小的跳跃式昆虫在短时间内可以达到惊人的高度和距离。跳跃式昆虫具有强壮有力的后足,后足的腿节、胫节的结构对昆虫的跳跃能力具有至关重要的作用,在昆虫跳跃时提供强大的跳跃能量。跳跃式昆虫在准备起跳时,将重心降低,对后足的表皮进行压缩,将能量储存在表皮的变形中,被储存的能量提供了昆虫跳跃时的一半左右的能量。对跳跃式昆虫后足外形结构的建模及其后足表皮性能的研究将为跳跃式昆虫的仿生研究提供基础。 本文以蝗虫为研究对象,对蝗虫的运动过程进行了详细的拍摄,获取了蝗虫跳跃时的运动视频,以此视频为基础,测量蝗虫跳跃过程中的各种运动数据。根据这些数据对蝗虫的运动规律进行了详细的计算和分析,并将蝗虫的运动规律用时间的函数在同一个笛卡尔坐标系下表示出来。对蝗虫后足的受力状态进行了详细的分析,获得了蝗虫后足表皮在跳跃过程中的应力状态、最大应力值及其位置:腿节弯曲的最大应力位置在腿节的小端,胫节弯曲的最大应力位置在胫节的中间部位。 对蝗虫后足的关节、腿节、胫节进行了拉伸试验和弯曲试验,获得了后足表皮的峰值载荷、峰值应力、应变及模量等材料性能参数。试验结果表明腿节和胫节的表皮都具有较强的模量,并将模量作为力学模拟时的数据。发现了腿节、胫节的结构优越性:腿节内部肌肉组织的存在增强了腿节的力学性能(峰值载荷、峰值应力、应变和模量);增大了腿节的转动惯量;胫节的弯曲强度要优于腿节;胫节的中空结构使胫节的转动惯量相对于腿节小很多,这一特点更利于蝗虫在跳跃过程中对后足的控制和体态的调整;腿节和胫节弯曲表面的表皮力学性能要优于非弯曲表面的表皮力学性能。对后足各个结构进行力学试验时出现不同的试验曲线,以及不同破坏形式的原因进行了详细的分析。 对后足进行了扫描,获得了后足结构的点云;利用Imageware软件对获得的点云进行处理,得到了蝗虫后足的结构模型;对此模型进行适当的简化后获得适合模拟分析的模拟模型;在Ansys-workbench软件中对模拟模型进行力学试验的模拟;在ADAMS软件中对蝗虫后足运动系统进行建模,建模中以满足各个结构的运动关系和动力学参数为主要条件,根据蝗虫后足的实际运动规律对各个结构的运动参数进行定义,对实际运动过程进行仿真,并与实际运动过程及相关计算结果进行对比,与计算结果相符的仿真模型。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:Q811

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