疲劳问题是制约机械零部件服役寿命、生产质量和工作效率提高的重要技术问题。长期以来,国内外围绕疲劳研究进行了诸多理论与技术探索,但由于疲劳问题的复杂性,研究手段的局限性,以及现代产品对抗疲劳要求的日益提高,该方面研究始终是工程界致力于攻克的目标任务。目前,各国的抗疲劳研究很大程度上仍依赖于改进材料成分和制造工艺、实施表面强化技术等,而鲜少考虑表面几何形态和内部物理结构等因素的影响。在天然生物系统,许多生活在复杂环境中的昆虫,其翅膀轻质高强并承受交变载荷,具有近乎完美的力学性能和防裂止裂功能特性。这类昆虫翅膀多由软质翅膜和硬质翅脉通过适当方式联接而成,呈现典型的刚柔耦合结构特征,是仿生抗疲劳研究的理想生物模型。探索脉膜刚柔耦合结构昆虫翅膀的形态学及力学性能规律,是工程仿生学的重要生物学基础。揭示昆虫翅膀止裂、抗疲劳的刚柔耦合功能机制,将为人工领域的仿生抗疲劳研究提供新原理、新途径和新支撑。本论文以工程领域机械部件的止裂和抗疲劳需求为背景,以三种典型脉膜刚柔耦合昆虫(黄蜻、东亚飞蝗、东方蜜蜂)(以下简称蜻蜓、蝗虫和蜜蜂)翅膀为研究对象,运用不同测试手段对翅膀宏/细观、微/纳观、二维/三维几何及结构形态进行分析,对刚性单元“翅脉”和柔性单元“翅膜”的化学形态进行表征,通过宏观拉伸实验与纳米压痕实验,跨尺度解析脉膜刚柔耦合昆虫翅膀的力学性能,结合高速摄像机研究昆虫翅膀在力学载荷下裂纹萌生及扩展的动态变化规律。通过有限元模拟研究刚性单元及柔性单元形态对整体力学性能的影响。论文取得的创新结论如下:(1)构成昆虫刚柔耦合结构的主要单元“翅脉”和“翅膜”表面均为非光滑形态。翅膜通过包覆方式与翅脉连接,形成宏观上的刚柔耦合一级结构。翅脉间的连接方式分为可活动连接和不可活动连接,不同连接的分布及比例依昆虫类别及其在翅膀位置的不同而差异较大。连接方式的优化配合不仅保障了翅脉的连接强度,还极大地提高了翅膀的形变柔性。(2)翅脉为中空管状结构,管壁为典型“三明治”多层结构,致密几丁质层包裹着中间层,形成微观上的刚柔耦合二级结构。蜻蜓、蜜蜂翅膜分为上下两层,蝗虫翅膜除上下两层外,还包含特殊的中间纤维层,能起很好的应力缓冲作用。褶皱是昆虫翅膀三维结构最显著的特征,昆虫翅膀的褶皱大小从翅基到翅尖,从前缘到后缘逐渐减小。(3)三种昆虫翅膀中,构成刚性单元“翅脉”和柔性单元“翅膜”的化学元素基本相同,均为蛋白质和几丁质构成的复合材料,但各组分含量和结构有所差异。与翅膜相比,翅脉中含有Ca等矿物质,改善了脉壁的硬度和强度。(4)不同昆虫翅膀因生存条件和受载类型不同,力学性能存在差异。其中,蜻蜓前缘脉的平均拉伸强度209.8MPa,延伸率5.45%;蝗虫前缘脉的平均拉伸强度136.4MPa,延伸率5.51%;蜜蜂前缘脉的平均拉伸强度375.4MPa,延伸率2.48%。翅脉结构和材料各组分含量是影响昆虫静态力学性能差异的主要原因。(5)不同昆虫翅膀前缘脉弹性模量和纳米硬度最大值的变化规律为蜜蜂>蜻蜓>蝗虫,不同翅脉间纳米力学性能的变化与尺寸大小无关,与翅脉材料和微观结构有关,力学性能的变化规律与宏观拉伸试验结果一致。(6)刚性单元“翅脉”分布的网格结构形状影响整体结构的力学性能。经有限元模拟分析,无节点错位的四边形结构的综合强度和刚度最优,六边形模型次之,节点错位四边形模型最差,节点错位造成四边形模型强度和刚度下降,错位越大,抗力能力越差,越易变形,进而提高了翅膀的柔性变形能力。柔性单元“翅膜”的加入对整体结构强度和刚度的提升有显著影响。(7)刚性单元“翅脉”和柔性单元“翅膜”在防裂止裂的功能实现中发挥了不同作用。翅脉起到支撑和强化作用,增强了翅膀的疲劳强度并阻碍裂纹扩展。翅膜可承受作用于翼上的弯曲和扭转变形。