肌电测量技术和鲫鱼C形起动过程中肌电信号测量初探

鱼在水中游动时,骨骼肌在中枢神经系统的控制下进行主动收缩,将力和位移传递给鳍和皮肤等执行器官,再通过执行器官与水进行力的相互作用和能量的交换后推动鱼体自身运动.为研究鱼在不同运动过程中肌肉活动的方式与强度,本文引进肌电图测量术(EMG).将表面绝缘的不锈钢探针植入鲫鱼的红肌内,肌电信号通过自主设计制作的肌电放大器放大,由计算机记录,用以表征鲫鱼在C形起动过程中转弯一侧的红肌活动的持续时间及强度.本文着重阐述了肌电测量技术,肌电实验的手术操作过程,并通过对肌电信号的测量结果进行定量分析,得到了鲫鱼C形起动过程中转弯侧红肌基本同时开始活动,其活动时间大致相同,以及躯体前端红肌活动最为剧烈的结论.     

鱼形机器人快速转向的运动特性研究

基于C形转向的仿生学研究和简化物理模型,建立了鱼形机器人快速转向的运动学方程,分析体干中线运动步态和鱼体质心的运动规律.计算了转动惯量、驱动力矩和阻力矩,建立C形转向的动力学模型.通过前摆转向的多步态仿真游动实验,解析鱼体柔性段弧长和相对弯曲度对质心轨迹、转动惯量、力矩、转动角位移和最大转动角速度的影响,提出了有效提高鱼形机器人快速转向性能的方法.     

鲫鱼皮肤和肌肉的力学性能研究

鱼在水中游动时,参与鱼体弯曲变形的组织和器官与水媒介相互作用,形成了不同的游动模式和变形方式。为了更好地理解鱼体变形机制并为今后的流固耦合计算提供基础实验数据,本文采用万能试验机进行单轴拉伸试验,对鲫鱼皮肤和肌肉等生物材料的力学性能进行研究。通过破坏实验的方式确定其杨氏模量,通过松弛实验的方式确定其归一化松弛函数。针对皮肤和肌肉的生物材料粘弹性性质,给出本构方程。通过简化为标准线性固体模型进行讨论,得到的结论是:鲫鱼游动过程中以很小的能量损耗为代价,增加了其有效刚度。     

斑马鱼S型起动运动学研究

快速起动是鱼类重要的一种机动能力,有助于鱼类的逃逸和捕食。快速起动通常分为C形起动和S形起动两种模式。本文利用数字式高速摄像机定量地研究了斑马鱼从低速巡游状态做出捕食反应的运动过程。通过分析斑马鱼的运动图像,发现S形起动过程大体可以分解为三个阶段:第一阶段,斑马鱼的头部和尾部都迅速向相同的一个体侧方向转动,整个身体近似弯曲反写的S型。第二阶段,斑马鱼的头部转向捕食方向,尾部摆动1~2个周期,整个身体近似成S型。第三阶段整个鱼体逐渐恢复平直形态,其前端2/3的部分不再摆动,维持一种类似在水中滑翔的游动姿态。本文定量分析了各个阶段鱼体躯干曲线的形状,给出了鱼体的速度分布,并定性地解释了S形起动的力学机理。     

数字图像相关测试技术在霍普金森杆加载实验中的应用

本文利用三维数字图像相关(3D-DIC)测试技术,在Hopkinson bar加载条件下测试铝合金动态拉伸力学性能以及TC4合金Ⅱ型裂纹的起裂时间和冲击载荷下的失稳扩展速度。两台高速相机保证了被测物体的三维成像,校准板技术使得所测试的应变-时间历程定量化。利用数据处理软件能够得到关注区内每一点的位移-时间历程、应变-时间历程及主应变等。同时,针对TC4材料的动态断裂过程,三维数字图像相关技术能够实时地记录预制疲劳裂纹的张开、裂纹尖端起裂、裂纹分叉扩展、失稳传播等各个阶段,为动态断裂韧性的确定提供了有力工具。     

基于数字图像的分离式霍普金森压杆实验中试件应变及两端应力的同步测量法

本文提出一种基于高速摄像和数字图像相关方法(DIC)的分离式Hopkinson压杆(SHPB)测量技术,从而实现试件应变和两端应力的同步测量。即在与试件接触的输入输出杆两端制作散斑,通过高速摄像获取SHPB实验过程中的散斑变形图像,由DIC测得各时刻试件的应变、输入输出杆端的应变(可直接换算为试件两端的应力)。由于试件和杆端的应变都是从同一张高速摄影的图像上分析得到的,因此它们是同步的。应用该方法对钢纤维混凝土试件的SHPB试验进行了测量,测量结果与传统应变片测量结果吻合,验证了该方法的可行性。该技术不仅实现了SHPB实验中试件应变和应力的同步测量,还将有助于直接检验各材料在SHPB实验中试件两端的力在实验过程中是否平衡。     

数字图像相关方法中匹配及过匹配形函数的误差分析

基于图像子区的数字图像相关方法需采用合适的形函数来近似目标图像子区的真实变形。由于实际测量时目标子区的局部变形往往是未知的,实际采用的不同阶次(零阶、一阶和二阶)的形函数不可避免地产生误匹配(欠匹配和过匹配)问题,从而引入位移测量的系统或随机误差。尽管由欠匹配形函数引起的系统误差已被充分认识,由过匹配形函数引起的位移误差仍缺少理论解释。本文首先推导出采用一阶和二阶形函数的数字图像相关方法的随机误差理论公式,随后采用一系列数值实验验证了理论公式的准确性。结果显示:过匹配形函数不会引入额外的系统误差,但会增加随机误差,且二阶形函数的随机误差是一阶形函数的二倍。考虑到由欠匹配一阶形函数引入的系统误差往往远大于过匹配二阶形函数的随机误差,因此在未能确知变形的情况下,推荐使用二阶形函数。     

数字梯度敏感方法及其在航空透明件断裂力学中的应用

本文将数字梯度敏感方法用于航空透明件断裂力学问题研究。首先,基于透明材料的弹性-光学效应,建立了透明件应力状态与光线穿过透明件后的偏转角之间的关系。在平面应力假设下,利用最小二乘拟合建立了I型裂纹尖端应力强度因子与光学偏转角的关系。其次,通过数字梯度敏感方法搭建非接触光学测试平台,开展了带单边裂纹的航空有机玻璃试件三点弯曲实验,应用数字梯度敏感方法提取了I型裂纹尖端应力强度因子。最后,通过选择不同计算子区域和步长大小,分析了数字梯度敏感方法中的子区域和步长选择对计算结果的影响。研究结果表明,数字梯度敏感方法实验所得应力强度因子与经验公式计算所得结果偏差小于10%,通过增加最小二乘拟合项数以及合理的子区域和步长选择可以减小数字梯度敏感方法计算应力强度因子误差。     

无定形水化硅酸钙纳米压痕模拟及卸载段处理

基于预测水泥及其水化物体积性能的简化物理模型Wittmann模型,结合分子动力学研究方法,构建水化硅酸钙(C-S-H)凝胶模型用来模拟纳米压痕实验.在弛豫阶段使用高温淬火方法将模型转变为无定形态,并测定模型高温淬火前后的径向分布函数,确定了无定形态下的水化硅酸钙(C-S-H)压痕模型,计算得出荷载深度曲线(P-h曲线)...     

An analytical approach to reconstruction of axisymmetric defects in pipelines using T(0, 1) guided waves

Torsional guided waves have been widely utilized to inspect the surface corrosion in pipelines due to their simple displacement behaviors and the ability of longrange transmission. Especially, the torsional mode T(0, 1), which is the first order of torsional guided waves, plays the irreplaceable position and role, mainly because of its non-dispersion characteristic property. However, one of the most pressing challenges faced in modern quality inspection is to detect the surface defects in pipeli...     

Nonlinear rheological properties and stability of dibenzylidene sorbitol fiber networks in poly(propylene oxide)

Dibenzylidene sorbitol (DBS) is known to gel organic liquids and polymers such as poly(propylene oxide) (PPO) by forming long fibers and fiber networks. Potential applications of these networks depend on their ability to withstand large deformations without significant morphological changes. Therefore, we studied the nonlinear rheological properties of the DBS fiber network in PPO for different DBS concentrations. We found that the concentration dependence of critical deformation (transition from linear to nonlinear viscoelastic region) and gel strength (G′ plateau in the linear region) can be explained on the basis of a model for densely cross-linked fiber gels (MacKintosh et al., Phys Rev Lett 75:4425–4428, 1995). Performing periodic strain sweeps, we found that the decrease in gel strength during the deformation cycles can be ascribed to reversible fiber coarsening. Additionally, start-up experiments showed a strong shear thinning behavior, which is in quantitative agreement with the SGM model (Sollich, Phys Rev E 58:738–759, 1998).