海洋生物水下粘附机理及仿生研究

生物粘附行为往往是生物在长期进化过程中获得的一种特殊功能或者生存能力，然而仿生水下粘附材料和结构如何充分再现生物材料的自适应能力一直是工程材料领域的研究难点. 本文作者基于自然界中丰富的粘附方式，详细介绍了几类典型海洋生物(贻贝、藤壶、沙塔蠕虫、章鱼、?鱼、鲍鱼、海胆)的水下粘附机理，并概述了相关的仿生设计(如DOPA改性水凝胶、吸盘贴、海胆机器人等)及其应用前景. 最后，对目前海洋生物粘附机理和相关仿生研究进行归纳总结，阐述存在的问题，提出深入研究典型海洋粘附生物“粘附-脱附”的动态过程和调控机理的必要性，并进一步指出仿生粘附研究在未来可逆、可控、绿色的发展方向和趋势.      

轻质泡沫金属夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能研究

通过实验研究和有限元模拟,重点关注了泡沫金属夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能和能量吸收机理.给出了爆炸载荷下泡沫金属夹芯壳结构的典型动力失效模式,分析了关键几何拓扑参量对其抗爆炸冲击性能的影响规律,模拟了爆炸载荷下夹芯壳结构的整个塑性动力响应过程,讨论了夹芯壳结构各组成部件的能量耗散分配机制.结果表明,夹芯壳结构的抗爆炸冲击性能可以通过优化承载范围和结构配置而提高;夹芯壳结构的能量吸收能力与其失效机制相关,且泡沫金属芯层的贡献最大.研究结果可为强动载荷服役条件下泡沫金属夹芯复合结构的防护要求及优化设计提供技术支持.     

过载性损伤与防护生物力学

损伤与防护生物力学(injury and protection biomechanics)是研究生物组织或器官损伤机理及其防护方法的一门交叉性学科,属于现代生物力学的重要分支.其研究目标是降低载荷环境下组织或器官的损伤程度,主要内容包括载荷造成生物组织和器官的损伤机制、损伤耐受极限以及损伤过程中的生物力学动态响应、如何改善组织和器官所处的力学环境降低其损伤程度、有效的防护装备优化设计思路.高过载性载荷由于其作用短时性和爆发性具有较高致命性, 因此,人在过载环境下的抗损伤能力已越来越成为航空器研制、汽车性能提升、运动员竞技能力提升与充分发挥的瓶颈;尤其是更快、更灵活新型飞机的出现,超音速弹射救生、大过载高增长率的机动飞行防护等问题向损伤与防护生物力学研究提出了新的挑战,同时也为损伤与防护生物力学的发展提供了新发展机遇.随着科技不断进步,航空航天、交通事故、体育运动乃至日常生活中老年人跌倒等过程中人体冲击过载性损伤越来越呈现发生率高、防护效率低等问题,一方面由于人体耐限实验会造成损伤而难以获得真实数据,另一方面生物组织具有复杂非线性及黏弹性、可再生和重建特性,涉及到如何精准描述生物组织或器官的本构关系、组织解剖学特征与其力学特性之间相关性,建立不同尺度的组织或器官损伤机理与耐受极限、防护方法及防护装备设计准则.为此,本文将主要总结过载性损伤与防护生物力学的主要研究内容和研究方法,并在此基础上针对人体在复杂过载环境下的损伤类型、损伤机制(包括生物力学和力学生物学响应)、损伤耐限及防护方法进行回顾,包括近年来该领域国内外的主要进展, 并提出该领域发展趋势.过载性损伤与防护生物力学研究对于保障和提高复杂过载环境下人体安全性具有重要意义,可为解决航空航天、交通、体育运动中广泛涉及的骨肌多轴向损伤评价方法与标准制定提供科学依据,对指导防护装备优化设计具有重要理论价值,同时该方面研究在工程仿生材料和防护装备方面具有潜在实用价值和广阔应用前景.      

玻璃纤维增强铝合金层合板低速冲击响应分析

基于ABAQUS/Explicit建立了GLARE的有限元模型,分析了其在低速冲击载荷作用下的动态响应,讨论了低速冲击过程中冲头与层合板之间的接触力随冲头位移的变化过程,并进一步分析了低速过程中结构的破坏过程及能量平衡。研究发现:冲头承受的载荷在冲击过程中会发生剧烈变化,且在击穿GLARE前,载荷受冲击速度影响很小;冲头的动能损失基本转化成了层合板结构增加的内能,主要包括铝合金板的塑性变形能、整体材料应变能、因损伤破坏吸收的能量;其中铝合金板的塑性变形能占比最高,可通过进一步设计铝合金板来提高GLARE的抗冲击性能。本文为GLARE层合板在结构冲击防护中的设计及应用提供了重要的参考依据。     

冲击载荷下板杆组合结构的动态响应

结构受冲击载荷作用可能会变形甚至失效.合理的结构形式有助于增强结构的抗冲击性能.本文对冲击载荷作用下板杆组合结构的动力学行为进行了分析,采用有限元方法模拟冲击载荷下结构的大挠度变形模式和能量吸收特性,并研究了杆件长度对抗冲击性能的影响.     

生物结构自适应性的力学研究及其应用

以生物的骨组织、竹子以及植物根系、动物血管等生物分枝系统为例, 从微观组织结构和宏观形态, 以力学的观点, 对生物形态组织结构的自适应性进行了分析研究, 并概括地介绍了这种自适应性在工程材料及工程结构设计中的应用, 如基于骨组织重建机理的自修复材料、基于生物分枝系统形态生成机理的薄板加强筋以及热传递系统中散热通道的分布设计等. 模拟生物结构和系统的工程材料和结构及其设计方法, 因具有与生物结构和系统相似的优越性能, 可突破传统产品和设计方法的一些局限性. 基于仿生技术的生物形态、材料与机能、强度等关系的进一步研究, 以及相关的理想工程材料和结构的设计与制造方法的研究, 将是当前和未来十分重要的研究课题.      

龟壳结构的力学性能研究现状及展望

历经上亿年,大多数龟类爬行动物均进化出了比重轻、强度高、韧性好的防护外壳。研究这些龟壳的结构特征和材料力学行为对安全防护结构的仿生设计有着重要启示。本文分别从龟壳的宏微观多尺度结构–功能关系、静动态力学性能和仿生应用三个方面介绍了近年来国内外的研究进展及现状。基于对上述研究现状的分析,本文还进一步展望了龟壳力学性能研究未来需关注的重点,以期能够更好地促进仿龟壳结构在安全防护领域的应用。     

A REVIEW OF STUDIES OF MECHANICAL PROPERTIES OF TURTLE CARAPACE 1)

历经上亿年,大多数龟类爬行动物均进化出了比重轻、强度高、韧性好的防护外壳。研究这些龟壳的结构特征和材料力学行为对安全防护结构的仿生设计有着重要启示。本文分别从龟壳的宏微观多尺度结构--功能关系、静动态力学性能和仿生应用三个方面介绍了近年来国内外的研究进展及现状。基于对上述研究现状的分析,本文还进一步展望了龟壳力学性能研究未来需关注的重点,以期能够更好地促进仿龟壳结构在安全防护领域的应用。     

仿生结构陶瓷金属复合板抗冲击性能数值研究

复杂组合形式的仿生结构往往具有比单一结构更为优异的性能，为了探索仿生结构陶瓷金属复合板的抗冲击性能，建立了陶瓷金属复合板模型，考虑了砖砌式与龟甲式仿生结构，分别模拟了传统陶瓷金属复合板与仿生结构陶瓷金属复合板受弹体高速冲击的过程。通过对比侵彻各结构复合板后的弹体残余速度，得到了仿生结构陶瓷金属复合板在抗冲击性能上要优于传统陶瓷金属复合板的结论，并进一步通过对比分析了侵彻过程中的弹体剩余速度、陶瓷板损伤情况以及各层板能量损耗结果，分析结果表明：仿生结构较传统结构有局部更为严重的裂纹损伤，并且底层陶瓷板具有更大的陶瓷损伤锥角；仿生结构较传统结构的各层板耗散了更多的能量并且延长了弹体的有效侵彻时间；黏接层能够进一步抑制仿生结构的裂纹扩展和损伤范围。     

聚合物仿生润滑剂研究进展

生物体内界面之间表现出了极低的摩擦系数,生物大分子润滑剂在其中起到了重要的润滑作用.受此启发,仿生润滑剂的设计和相关润滑机理的研究引起了科研工作者的广泛关注.本文从结构仿生和功能仿生两个方面,综述了聚合物仿生润滑剂的研究进展,分类介绍了水溶性高分子、聚合物微凝胶、聚合物刷修饰复合微球作为仿生润滑液的设计思路、润滑机理及应用研究.     

RESEARCH PROGRESS IN THE INJURY AND PROTECTION TO VEHICLE AND PASSENGERS UNDER EXPLOSIVE SHOCK LOADING

在当前反恐战争和地区武装冲突迫切形势下,如何提高车辆及人员的防护能力是诸多学科工作者面临的共同挑战。综述了威胁车辆安全的常见爆炸物、其作用原理和影响爆炸物作用载荷的因素,阐述了爆炸物爆炸冲击对车辆的破坏和人员损伤的各类不同形式。在此基础上分析了相关的实验、表征和模拟技术的研究进展,总结了国内外车辆爆炸防护结构的研究现状,包括轻质防护材料和结构的研发趋势,展望了车辆爆炸防护结构设计的研究趋势。     

Failure loads of spot weld specimens under impact opening and shear loading conditions

Failure loads of spot weld specimens are investigated under impact combined loading conditions. A set of test fixtures was designed and used to obtain failure loads of mild steel spot weld specimens under combined opening and shear loading conditions. Three different impact speeds were applied to examine the effects of separation speed on failure loads. Micrographs of the cross-sections of failed spot welds were obtained to understand the failure processes in mild steel specimens under different impact combined loads. The experimental results indicate that the failure mechanisms of spot welds are very similar for mild steel specimens at various impact speeds. These micrographs show that the sheet thickness can affect the failure mechanisms. For 1.0 mm specimens, the failure occurs near the base metal in a necking/shear failure mode. For 1.5 mm specimens, the failure occurs near the heat-affected zone in a shear failure mode. Based on the experimental results, the effects of the inertia force, the separation speed, and the loading angle on the failure loads of spot welds are investigated. Failure criteria are proposed to characterize the failure loads of spot welds under impact combined opening and shear loads for engineering applications. The failure load can be expressed as a function of the tensile strength of the base metal, the nugget size, the sheet thickness, the maximum separation speed, the loading angle, and empirical coefficients for a given welding schedule.     

生物黏附与黏附力学的进展

介绍了动物及昆虫黏附能力及黏附系统的实验研究，重点介绍了力学仿生动物 及昆虫的黏附能力及黏附系统的研究工作. 还简单介绍实验室仿生制备及仿生黏附潜在 的用途，并对仿生黏附力学新的研究方向提出建议.     

非线性应力波传播理论的发展及应用

应力波传播理论是分析结构和材料在爆炸/冲击载荷作用下的响应及破坏特性的基础,在国防和民用工程上有重大价值。本文对作者们近半个世纪来在非线性应力波传播理论的发展及其工程应用方面所开展的主要研究作一回顾和讨论,包括：几类非线性应力波相互作用及失效,非线性粘弹性波传播理论及应用,动态破坏和应力波相互作用,以及应力波理论在防护工程中的应用等。     

天然生物材料及其摩擦学

评述了几种天然生物材料的特性及其摩擦学研究现状,分析了天然生物复合材料、角蛋白材料、土壤动物体表、植物叶的结构和表面形态及性能,介绍了天然生物材料的摩擦与磨损性能及生物防粘减阻和生物润滑技术,并探索性地提出了摩擦学仿生概念。     

高温后钢管活性粉末混凝土的动态力学性能

采用霍普金森压杆装置对高温后钢管活性粉末混凝土(reactive powder concrete-filled steel tube,RPC-FST)进行冲击压缩实验,分析了应变率效应及温度效应对试件动态力学性能的影响。结果表明:高温(200、300 ℃)后RPC-FST仍具有较好的抗冲击能力、延性和完整性;冲击荷载作用下,RPC-FST的应变率效应明显弱于RPC的应变率效应;随着过火温度的提高,RPC-FST的峰值应力逐渐增大,变形能力增强,抗冲击能力提高。动力提高系数随过火温度的提高而增大,说明高温后RPC-FST的应变率效应更显著。     

Elastic responses of underground circular arches considering dynamic soil-structure interaction: A theoretical analysis

Due to the wide applications of arches in underground protective structures, dynamic analysis of circu- lar arches including soil-structure interactions is important. In this paper, an exact solution of the forced vibration of circular arches subjected to subsurface denotation forces is obtained. The dynamic soil-structure interaction is considered with the introduction of an interfacial damping between the structure element and the surrounding soil into the equation of motion. By neglecting the influences of shear, rotary inertia and tangential forces and assuming the arch incompressible, the equations of motion of the buried arches were set up. Analytical solutions of the dynamic responses of theprotective arches were deduced by means of modal superposition. Arches with different opening angles, acoustic impedances and rise-span ratios were analyzed to discuss their influences on an arch. The theoretical analysis suggests blast loads for elastic designs and predicts the potential failure modes for buried protective arches.     

A general failure criterion for spot welds under combined loading conditions

The circumferential failure mode of spot welds is investigated under combined loading conditions. Failure mechanisms of spot welds under different loading conditions are first examined by the experimental observations and a plane stress finite element analysis. An approximate limit load analysis for spot welds is then conducted to understand the failure loads of spot welds under combinations of resultant forces and resultant moments with consideration of the global equilibrium conditions only. The approximate limit load solution for circumferential failure is expressed in terms of sheet thickness, nugget diameter and combinations of loads. Failure contours are generated for spot welds under opening and shear loading conditions. The results indicate that failure contours become smaller when the ratio of the sheet thickness to the nugget diameter increases. Based on the approximate limit load solution, a general quadratic failure criterion for spot welds under combined three resultant forces and three resultant moments is proposed with correction factors determined by fitting to the experimental results of spot welds under combined loading conditions. The failure criterion can be used to characterize the failure loads of spot welds with consideration of the effects of sheet thickness, nugget diameter and combinations of loads. Experimental spot weld failure loads under combined opening and shear loading conditions and those under combined shear and twisting loading conditions are shown to be characterized well by the proposed failure criterion. Finally, a simplified general failure criterion for spot welds under three resultant forces and three resultant moments is proposed by neglecting the coupling terms of the resultant forces and moments for convenient use of the failure criterion for engineering applications.