描述鱼鳍材料松弛特性的分数Zener模型

鱼鳍在游动中起到了推进和控制的作用, 研究鱼鳍的力学性质对研究鱼类游动中高效率的来源具有重要意义. 本文对鲫鱼尾鳍鳍条进行了松弛实验, 松弛时间为300\,s,力随时间表现出较明显的衰减, 表明鱼鳍具有黏弹性性质. 采用分数Zener模型拟合实验数据, 并将拟合结果与3参数和5参数线性模型拟合结果比较, 发现3参数线性模型拟合效果较差, 分数Zener模型和5参数线性模型都较好地拟合了松弛曲线, 但分数Zener模型具有使用参数更少的优点.      

黏弹性理论中广义Maxwell模型的教学法及其在非晶态固体中的应用

黏弹性力学是固体力学研究的重要组成部分,如何开展黏弹性力学教学对于学生理解相关知识至关重要。本文以黏弹性力学最为经典的Maxwell模型为例展示整个教学过程：首先从基本黏弹性元件出发,推导Maxwell模型及其广义表达式,然后结合非晶固体应力松弛实验曲线,从变形单元激活特征时间角度出发,将经典Maxwell模型应用于非晶固体变形,结合实际案例和计算练习来加深学生对于该模型的理解和应用。相比于传统黏弹性力学课程,本文考虑广义Maxwell模型中多个并联单元特征时间在对数时间尺度的Gauss分布形式,这对于非晶态固体的变形研究以及黏弹性理论的课程教学过程具有重要借鉴价值。     

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。     

鲤鱼尾鳍实时三维姿态测量及运动特性分析

为了实现鱼鳍三维运动特性的精确测量, 研究尾鳍的动态瞬时特性, 定量分析其连续变化过程, 建立了基于栅线投影和高速摄像的测量系统和与之对应的分析方法. 以自主游动的鲤鱼为实验对象, 将一组正弦光栅投射在其尾鳍表面, 产生包含三维信息的光栅条纹并由高速摄像机实时采集尾鳍摆动过程的序列图像; 对其中的每一帧图像作二维傅里叶变换、频谱滤波、逆傅里叶变换及三维位相展开等处理后, 重建尾鳍的瞬时三维形态, 再现尾鳍的连续运动过程; 据此测量结果分析研究尾鳍的运动特征及运动学参数. 结果表明, 鲤鱼游速为0.5L/s时, 尾鳍的摆动频率为1.42Hz; 鲤鱼巡游过程中尾鳍的主要运动为侧向摆动, 尾鳍的形状周期性地循环外展和内收, 且尾鳍上叶叶尖的平均摆幅比尾鳍下叶叶尖的平均摆幅约大15.6%.      

高应变率下航空透明聚氨酯的动态本构模型

采用低阻抗分离式霍普金森压杆对航空透明聚氨酯进行了高应变率下的动态力学性能测试,得到的应力应变曲线表现出了显著的非线性黏弹性特征。基于本构理论和实验数据,构建了航空透明聚氨酯的松弛时间应变相关的超黏弹性本构形式。该本构模型由2部分组成:一部分表征准静态下的超弹性行为,另一部分描述非线性应变率的相关特性。利用超黏弹性本构模型对不同应变率下航空透明聚氨酯的动态应力应变曲线进行拟合,拟合曲线与实验曲线一致性良好。     

基于实验的心肌被动力本构模型

在狗心脏外科手术和心肌力学性能试验的基础上,对心肌力学性能实验数据进行处理和拟合,并应用有限元方法对心肌的单拉实验、松弛实验进行数值模拟和计算. 得到不同心肌位点的本构模型的非线性弹性和黏性参数,从而发展了心肌被动力的非线性黏弹性本构模型,体现了心脏力学行为的非均匀性和黏弹性. 在理论模型和试验数据的基础上,开发了有限元软件ABAQUS的VUMAT材料子程序,应用于数值心脏的仿真研究.      

NEPE推进剂低高应变率下改进的黏-超弹本构模型

为研究低高应变率条件下NEPE推进剂的力学特性,通过电子万能试验机和分离式霍普金森杆装置,对NEPE推进剂进行了准静态和冲击实验,得到了不同应变率下（1.667×10?4～4 500 s?1）的应力-应变曲线。实验结果表明NEPE推进剂具有明显的非线性弹性和应变率敏感性,随着应变率的增加,材料的强度、屈服应力和弹性模量显著增加,与低应变率相比,高应变率条件下材料的应变率敏感性更高。在高速冲击下材料内部瞬间产生大量热量无法及时散发出去,使得材料内部温度升高,导致材料出现软化效应,力学性能降低。本文建立了一个非线性黏超弹本构模型,其中采用Rivlin应变能函数来描述稳态超弹响应部分,采用积分型本构模型来描述材料的动态黏弹性响应部分,考虑到松弛时间具有应变率相关性,本文采用了一个率相关松弛函数来替代传统的Prony级数形式。使用极慢速压缩实验数据对本构模型中的超弹部分进行拟合获得超弹参数,然后用准静态和动态实验数据对本构模型进行拟合得出其他参数。不同应变率下的预测曲线与实验曲线具有较好的重合度,证明了该模型可以很好地描述低高应变率下NEPE推进剂的力学特性。     

两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真

为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼,模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态,设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼.针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题,采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动,并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构.依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值,借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小,并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率.应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程,并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真,获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况.结果表明,在相同的频率与尾鳍摆幅下,两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s(BL为鱼体体长),高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s,且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律,并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街,推进效率高.     

两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真

为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼, 模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态, 设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼. 针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题, 采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动, 并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构. 依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值, 借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小, 并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率. 应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程, 并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真, 获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况. 结果表明, 在相同的频率与尾鳍摆幅下, 两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s (BL为鱼体体长), 高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s, 且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律, 并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街, 推进效率高.      

鲹科模式中前体对尾鳍推进影响的数值研究

自然界中鱼类尾鳍形状各种各样,但前体大部分都是扁平的椭圆形状.该文研究了不同形状的前体对尾鳍推进的影响.尾鳍统一采用月牙形状;前体采用了两种模型:A-鱼类扁平椭圆形状和B-潜艇水滴回转体形状.通过以Strouhal数为控制参数的FLUENT数值模拟,发现前体形状对于尾鳍的静止状态和运动状态有不同的作用,采用模型A的前体形状更有利于长时间巡游,故鱼类采用模型A这种前体形状是自然界优胜劣汰的进化必然选择.     

PREDICTION OF MECHANICAL PROPERTIES OF FISH MUSCLE IN VIVO DURING STEADY SWIMMING

在综合游动力学的框架下采用整体模化分析方法,对比研究了鳗鲡鱼类和鲹科鱼类巡游中红肌（驱动鱼类巡游的骨骼肌）的力学性能异同. 该方法将观测总结的鱼体动态变形规律作为已知条件,首先确定鱼游中体外作用（包括流体动力响应和惯性力）,然后间接预测活体的体内作用（包括肌肉主动力和生物组织被动应力）. 研究结果显示,鳗鲡鱼类尾部的肌肉强度明显低于其躯干部分,而鲹科鱼类尾部和躯干部分肌肉强度相当,这与各自的体内作用主导机制相适应. 且体外作用的区别也导致了鲹科鱼类的能效更高. 同时发现,两种模式游动下都存在鱼体躯干内部从头至尾的能量传递,其肌肉输出净功沿鱼体轴向都呈“钟形” 分布. 总体上沿轴向各点的肌肉都输出正的净功.     

鱼类巡游中的活体肌肉力学性能预测

在综合游动力学的框架下采用整体模化分析方法,对比研究了鳗鲡鱼类和鲹科鱼类巡游中红肌（驱动鱼类巡游的骨骼肌）的力学性能异同. 该方法将观测总结的鱼体动态变形规律作为已知条件,首先确定鱼游中体外作用（包括流体动力响应和惯性力）,然后间接预测活体的体内作用（包括肌肉主动力和生物组织被动应力）. 研究结果显示,鳗鲡鱼类尾部的肌肉强度明显低于其躯干部分,而鲹科鱼类尾部和躯干部分肌肉强度相当,这与各自的体内作用主导机制相适应. 且体外作用的区别也导致了鲹科鱼类的能效更高. 同时发现,两种模式游动下都存在鱼体躯干内部从头至尾的能量传递,其肌肉输出净功沿鱼体轴向都呈“钟形” 分布. 总体上沿轴向各点的肌肉都输出正的净功.      

鲫鱼C形起动的运动学特征分析

快速起动是鱼类很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鲫鱼为逃避危险从静止状态做逃逸反应的运动过程。观察发现所有的逃逸反应都是C形起动。仔细分析运动图像后，根据质心和尾鳍的运动，发现C形起动过程大体可以分解为三个阶段。第一阶段，质心保持不动，鱼体在极短的时间内绕质心弯曲呈C形，尾鳍同时迅速摆动；第二阶段，尾鳍作大幅度反向摆动，鱼头转动接近至最终方向；第三阶段，质心沿最终方向作直线运动。本文通过软件分析得到了各个阶段内鱼体躯干曲线的形状，进而给出了鱼体的速度和转动角速度分布，并从力学的角度定性地解释了机动过程。     

Computation of the 3-D Unsteady Flow Past Deforming Geometries

A 3-D incompressible unsteady flow solver based on simple finite elements with adaptive remeshing and grid movement for both moving and deforming surfaces is described. We demonstrate the combination of adaptive remeshing techniques with the incompressible flow solver with the computation of flow past an eel in 2-D and a blue-fin tuna in 3-D. The flow past a swimming tuna was computed for two extreme cases of the caudal fin frequency and swimming speed. A grid refinement study was performed and a grid converged solution for the force produced by the caudal fin was obtained.     

A fluid–structure interaction solver for the study on a passively deformed fish fin with non-uniformly distributed stiffness

Research on fish locomotion has made extensive progress towards a better understanding of how fish control their flexible body and fin for propulsion and maneuvering. Although the biologically flexible fish fins are believed to be one of the most important features to achieve optimal swimming performance, due to the limitations of the existing numerical modeling tool, studies on a deformable fin with a non-uniformly distributed stiffness are rare. In this work, we present a fully coupled fluid–structure interaction solver which can cope with the dynamic interplay between flexible aquatic animal and the ambient medium. In this tool, the fluid is resolved by solving Navier–Stokes equations based on the finite volume method with a multi-block grid system. The solid dynamics is solved by a nonlinear finite element method. A sophisticated improved IQN-ILS coupling algorithm is employed to stabilize solution and accelerate convergence. To demonstrate the capability of the developed Fluid–Structure-Interaction solver, we investigated the effect of five different stiffness distributions on the propulsive performance of a caudal peduncle-fin model. It is shown that with a non-uniformly distributed stiffness along the surface of the caudal fin, we are able to replicate similar real fish fin deformation. Consistent with the experimental observations, our numerical results also indicate that the fin with a cupping stiffness profile generates the largest thrust and efficiency whereas a heterocercal flexible fin yields the least propulsion performance but has the best maneuverability.     

Effects of viscoelasticity on the retraction of a sheared drop

Effects of drop and matrix viscoelasticity on the retraction of a sheared drop are numerically investigated. Retraction of an Oldroyd-B drop in a Newtonian matrix is initially faster and later slower with increasing drop Deborah number. The observed behavior is explained using an ordinary differential equation model representing the dominant balance between various forces during retraction. The initial faster relaxation of viscoelastic drops is due to viscoelastic stresses pulling the drop interface at the tips inward. The later slower retraction is due to the slowly-relaxing viscoelastic forces at the equator, where they act against the capillary force. The drop inclination decreases substantially during retraction unlike in a Newtonian case. Matrix viscoelasticity slows the relaxation of a Newtonian drop because of the increasingly slow relaxation of highly stretched polymers near the drop tip with increasing Deborah number. Increasing the ratio of polymeric to total viscosity further accentuates the viscoelastic effects in both cases. For an Oldroyd-B drop in an Oldroyd-B matrix, a competition between the dispersed and the continuous phase elasticities, represented by their ratio, determines the dynamics; larger values of the ratio leads again to initial faster and later slower retraction.     

Modelling of thrust generated by oscillation caudal fin of underwater bionic robot

A simplified model of the thrust force is proposed based on a caudal fin oscillation of an underwater bionic robot. The caudal fin oscillation is generalized by central pattern generators (CPGs). In this model, the drag coefficient and lift coefficient are the two critical parameters which are obtained by the digital particle image velocimetry (DPIV) and the force transducer experiment. Numerical simulation and physical experiments have been performed to verify this dynamic model.