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1、中国科学技术大学 硕士学位论文 特种弯曲材料试验机设计及鱼体材料粘弹性性质测量 姓名：王拓道 申请学位级别：硕士 专业：流体力学 指导教师：尹协振；贾来兵 2011-05 摘 要 I 摘摘 要要 研究生物材料的力学性质是生物力学的重要内容之一，对于人类深入认识 鱼类的游动机理有重要作用，而且具有重要的工程应用价值。本文设计了一种 用于测量鱼体材料粘弹性性质的特种弯曲材料试验机，通过模拟鱼体摆动实验 测量鲫鱼尾鳍及脊柱椎骨连接处的材料粘弹性性质，并采用复数型粘弹性本构 模型对实验结果进行分析，讨论了材料粘弹性性质对于鱼类游动的贡献。 本文研究工作的主要内容和结论如下： 1. 介绍特种弯曲材料试验
2、机的研制过程， 对装置中不同结构和系统进行详 细说明并标定实验装置部件。 2. 分别进行弹性（铜片）和粘弹性（橡胶）材料试件实验，计算出材料的 弹性特性和粘弹性特性，将计算结果与已知弹性体和粘弹性体特性进行对比， 发现基本符合，表明本试验机设计的正确性。 3. 完成鲫鱼尾鳍鳍条实验，发现尾鳍摆动所需的力矩幅值 M 随摆幅的增 大而增大。滞后相位角 、耗散模量 E2随摆幅和频率的增大而减小。储能模量 E1在摆幅为 3时随着频率的增加而略有增加，在摆幅为 5时，随着频率的 增加而减小。 4. 完成鲫鱼脊柱椎骨连接处实验， 发现脊柱连接处前段所需力矩幅值要略 大于后段所受力矩幅值。滞后相位角 、耗散
3、模量 E2随频率的增加而减小，且 脊柱后段 、E2小于脊柱前段 、E2。储能模量 E1随频率增加略有下降，脊柱 后段 E1大于脊柱前段 E1。滞后相位角很小，并随摆幅的增大而接近于 0。 关键词：关键词：粘弹性材料，弯曲试验机，尾鳍，椎骨连接处，滞后相位角，储能模 量，耗散模量 Abstract II ABSTRACT The research of the mechanical property of the biomaterial is one of the most significant parts in the biomechanics, which plays an importa
4、nt role in understanding the mechanism of fish swimming and has important engineering value. In this thesis a special type of material test machine used in bending test was designed, which can be used to measure the viscoelastic properties of the fish material. Through simulating fish oscillation, t
5、he viscoelastic properties of the caudal fin and intervertebral joint in a crucian carp were measured, a complex number model was adopted to analyze the results of the biomaterial test and the effect of the viscoelastic on fish swimming was discussed. The main results of this thesis are as follows:
6、1. Design process, the details of the structure and systems and the calibration of of the material test machine are presented. 2. The specimens of an elastic material (coppor) and a viscoelastic material (rubber) are tested. The material characteristic is calculated. Comparison between the obtained
7、results and the known properties of elastic and viscoelastic materials shows that the results are reasonable and the design of the test machine is suitable. 3. Test results of the caudal fin ray in crucian show that the moment(M) needed by swinging the caudal fin increases as the swing amplitude, wh
8、ile the phase angle of hysteresis and the loss modulus E2 decrease as the amplitude and the frequency increase. The storage modulus E1 increases slightly as the frequency for the amplitude of 3, while it decreases for the amplitude of 5. 4. Testing results of the intervertebral joint in crucian show
9、 that the intervertebral joint in the anterior part of fish body needs larger moment than the posterior part. The phase angle of hysteresis and loss modulus E2 decrease as the frequency increases. and E2 of the intervertebral joints in the posterior part are less than in the anterior part. The stora
10、ge modulus E1 decreases slightly as the frequency increases and E1 of the posterior part is larger than the anterior part. The phase angle of hysteresis is very small and close to zero as the amplitude increases. 目 录 III Key Words: viscoelastic property of material, bending test machine, caudal fin,
11、 intervertebral joints, phase angle of hysteresis, storage modulus, loss modulus 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：_ 签字日期：_ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关
12、规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、 汇编学位论文。 本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开 保密（_年） 作者签名：_ 导师签名：_ 签字日期：_ 签字日期：_ 第 1 章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景和意义 人类在与自然界中无数生物共同相处的过程中， 不断地观察和思考自己的这 些朋友。鱼儿为什么能在水中自由的游动、鸟儿为什么能在天空中自由的翱翔。 直到 1858 年.达尔文
13、与华莱士在伦敦林奈学会上宣读了有关物种起源的论文，人 类终于系统地认识到生物的变异、 遗传和自然选择作用能导致生物发生适应性改 变。 生活在覆盖地球绝大部分水域中的鱼类经过 5 亿年的漫长进化， 无论是在种 类还是在数量上都要远远超过哺乳动物、鸟类、爬行动物和两栖动物。自然选择 赋予了鱼类在水中游动的天赋， 该天赋往往伴随着低耗、 高效、 灵活机动的特点。 如金枪鱼可以非常轻松的以 40 节的速度游泳，狗鱼水下突然启动时的加速度能 够达到 20 倍重力加速度，并且能够在不减速的情况下急转弯，而海豚维持 20 节速度运动所需要的能量仅为以相同速度拖动刚体海豚模型的七分之一。 从探索 自然界的奥妙
14、出发， 科学工作者开始通过各种方法不断解答着鱼类留给我们的谜 题。直到今天，鱼类在游动过程中为什么能够拥有低耗、高效、灵活机动的特点 仍然需要我们进行深入的研究。此外，在认识自然的过程中，如何将自然、鱼类 留给我们的宝贵财富运用于我们的生活和实际生产中也是科学工作者的重要研 究方向。例如将鱼躯干为纺锤形外形的特点应用到设计船舶与航行器上，制造出 了我们日常生活中十分熟悉的飞机、飞艇和船舶。生物学家通过研究鲨鱼表层皮 肤结构，将发现的减阻原理成功的运用到空中飞机的表面蒙皮上，带来了巨大的 经济利益，节省了能源消耗。又例如人类通过学习鱼类研制的各种水下自主航行 器已在国防、生活中担当起重大作用，帮
15、助人类完成大量高风险及人类自己根本 不能完成的任务。 在研究和运用鱼类游动机理的双重驱动力下， 应用力学原理和方法定量研究 鱼游中力学问题的鱼游生物力学作为一门新兴的交叉学科逐渐兴起， 并成为了近 年来的一个热点。 而鱼体生物材料本身力学性能的研究就成为鱼游生物力学的重 要组成部分。通过直接研究生物材料本身力学性能，能够更直观的认识鱼类在游 动中的机理， 因此对生物材料本身力学性能的研究无疑将带动整个力学学科的发 展，对人类认识自然以及工程应用都有着重要意义。 第 1 章 绪论 2 1.2 研究历史 鱼类在水中游动通过肌肉提供动力作用于水（环境） ，而水（环境）又反过 来对鱼类产生推力。 在这个过程中鱼体本身的生物组织材料充当了肌肉力和环境 相互作用的媒介。 因此对于生物材料本身特性的研究有利于我们更加了解两者相 互作用的机理。而鱼类生物材料又包括很多种，例如脊椎、鱼鳍、鱼皮以及肌肉 本身。随着实验手段的日渐丰富(Han，etal，1995)，以及对实验数据处理方法的 多样性(Doehring，etal，2005)，对鱼类生物材料本身力学性能的研究取得了相当 数量的成果。 1.2.1 鱼鳍力学性能的研究 鱼鳍作为身体的附属物是鱼与陆地及空中生物重要区别之一。 鱼鳍通过在水 中摆动为鱼类将肌肉产生的力和其周围环境进行交互作用
