硬骨鱼(如草鱼、鲤鱼、鲫鱼等)鳞片具有超轻、超薄的特点,其力学性能表现为柔韧性好、抗戳穿能力强。与其他生物材料如牙齿、螳螂虾等相似,鳞片优越的力学性能与其结构相关。鳞片结构为多级结构,表现出独特的功能梯度力学性能。鳞片之间相互叠加能够有效分散齿咬力作用。本文系统地研究了草鱼鱼鳞形貌、结构及力学性能;对比分析了 9种不同水域新西兰鳞片力学性能,为仿生设计提供了理论基础;借鉴鳞片结构及叠加方式,设计出新型的仿生柔性防护装具;借鉴不同生物材料梯度结构,建立了两种新型的功能梯度模型。相关研究内容及结果如下:(1).为了揭示草鱼鳞片形貌-结构-功能之间的关系,首先对草鱼鳞片表面形貌、多级结构进行观察,其次分别对饱水及脱水草鱼鳞片不同位置进行轴向拉伸测试,并考虑应变率对饱水草鱼鳞片力学性能的影响;然后对饱水草鱼鳞片进行双向拉伸测试,并采用数字相关技术(DIC)对鳞片全场应变进行了分析;最后是对饱水草鱼鳞片及脱水草鱼鳞片进行戳穿试验,并通过光学显微镜及扫描电子显微镜(SEM)对其破坏进行观察。结果表明,草鱼鳞片由两层材料组成:硬质的骨质层和软质的胶原层。其中胶原层由大量的胶原纤维片层旋转叠加而成,相邻胶原纤维片层之间的偏转角约为28-31°。对于饱水草鱼鳞片,整个鳞片表现为平面内各向异性,而胶原层则表现为平面内各向同性。鳞片左侧和右侧饱水试样在拉伸过程中,形成多裂纹,这与表面条纹与拉伸方向一致有关。脱水草鱼鳞片弹性模量和拉伸强度明显比饱水草鱼鳞片的大,但破坏应变要小。对于饱水草鱼鳞片,其拉伸强度、弹性模量均满足应变率Ramberg-Osgood方程。草鱼鳞片的应变率相关主要与胶原层和其较高的含水量相关。据全场应变分析可知,鳞片四边夹持段应变要比中心位置的大。戳穿实验结果表明,戳穿物体不锈钢针尺寸越小,越容易戳穿鳞片;大尺寸的针则使得基体产生大变形,但是戳穿力峰值大小与基体刚度无关。通过研究不同尺寸戳穿物(针)和不同刚度的基体对戳穿力(变形)的影响,能够为设计可以减小顿挫伤的防护结构提供很好的借鉴。通过观察分析戳穿试样破坏模式,饱水鳞片以径向拉伸破坏为主,而脱水鳞片则主要发生剪切破坏。(2).对水域分布不同(淡水、浅海、深海)的9种新西兰鳞片进行形貌、多级结构观察和力学性能测试。通过对比分析可知,这9种新西兰鳞片左右侧及后部形貌与草鱼鳞片相似。其次,该9种鳞片组成和草鱼鳞片也类似,都是由硬骨质层和胶原纤维片层堆叠而成的胶原层组成,但是不同的鳞片胶原片层之间的偏转角不同。不同鳞片力学性能存在差异,其中篮点笛鯛鳞片的延展性最好。(3).通过借鉴生物材料(鳞片、穿山甲等)鳞片覆盖模式,提出了一种类似鳞片相互叠加的仿生柔性防护装具模型。根据美国NIJ-Ⅲ级防护标准,给定子弹初始速度-856.1 m/s,通过数值模拟软件LS-DYNA对单个仿生复合“鳞片”进行优化分析确定其最佳厚度比;在此基础上,对整个防护装具覆盖率进行优化分析。数值模拟结果表明,当复合鳞片尺度h=14mm,厚度比h1/h2= 1:1,鳞片弧形半径为89 mm时,鳞片防护性能最佳。通过分析鳞片相互覆盖率对防护性能的影响,综合考虑防护性能和等效面密度,当θ1= 80°为最佳叠加方式。整个防护装具吸能机理是:首先带有弧面的碳化硅外层,具有较高硬度,能够吸收子弹大部分能量,而超高分子量聚乙烯(UHMWPE)通过塑性变形吸收子弹部分能量,并将应力传递到相邻的鳞片,共同消耗子弹剩余能量。凯夫拉连接层能够使得鳞片之间发生相对滑移,可以转移子弹部分能量。另一方面,鳞片均是倾斜的,子弹在穿透的过程中会发生滑移和转向,使得冲击方向动能分散,从而减小子弹正面侵彻能量。(4).借鉴鳞片、牙齿、螳螂虾等生物材料不同功能梯度设计方式,建立了两种新型功能梯度理论模型。将模型应用于梯度板设计,采用剪切离散间隙技术与有限元/扩展有限元结合,对其动态特征(模态、屈曲因子)进行分析,以获得最佳功能梯度模型。模拟结果表明,传统的梯度模型通过参数改变,对改变板的刚度和稳定性十分有限。对于仿鳞片的梯度模型,可以用于柔性结构设计。对于仿螳螂虾前足的梯度模型,通过改变参数,既可以提高板的刚度和稳定性,也可以降低板的刚度及稳定性,因此,该模型既可以用于防护结构设计,也能够用于柔性结构设计。因此借鉴鳞片、牙齿及螳螂虾两种梯度设计,能够很好地弥补现有功能梯度材料设计的不足。