【摘 要】
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对生物软组织的力学性能进行研究并找出其变形特征和应力的分布规律,对于开发出具有卓越性能的生物材料具有十分重要的工程意义。在生物软组织的研究中发现,变色龙在捕食过程中其舌头作为典型的生物软组织,能够以很快的速度弹射至其一倍体长,因此,探究变色龙的捕食机理并对其力学性能进行研究,对于以变色龙为仿效对象的仿生机械设计和开发领域中生物信息的提取尤为重要。论文以变色龙舌头为研究对象,基于有限元和神经网络,对其力学性能进行了研究,并对弹射过程进行了仿真,主要包括以下几个方面:
(1)根据高速摄像机下的变色龙
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对生物软组织的力学性能进行研究并找出其变形特征和应力的分布规律,对于开发出具有卓越性能的生物材料具有十分重要的工程意义。在生物软组织的研究中发现,变色龙在捕食过程中其舌头作为典型的生物软组织,能够以很快的速度弹射至其一倍体长,因此,探究变色龙的捕食机理并对其力学性能进行研究,对于以变色龙为仿效对象的仿生机械设计和开发领域中生物信息的提取尤为重要。论文以变色龙舌头为研究对象,基于有限元和神经网络,对其力学性能进行了研究,并对弹射过程进行了仿真,主要包括以下几个方面:
(1)根据高速摄像机下的变色龙捕食过程中舌头的比例建立了舌头的有限元模型,分为三个部分:加速肌、牵开器复合体以及舌骨。对比实验的速度曲线,对舌头弹射过程进行了有限元仿真,初步确定了材料的本构模型以及材料的本构参数。
(2)根据变色龙捕食时舌头的弹射过程,建立了变色龙舌头的“压力驱动模型”,通过在加速肌表面施加压力的方式进行有限元模拟与仿真,得到了弹出过程的速度曲线和位移曲线。将有限元与神经网络相结合对压力数值进行优化,根据正交实验法建立输入样本,以Abaqus仿真数据为训练样本训练神经网络,结合实验数据中关键点的速度和时间值进行压力预测。
(3)将预测所得压力值输入到Abaqus中进行仿真,得到了与实验数据较为吻合的时间-速度曲线和时间-位移曲线,验证了将有限元和神经网络相结合的方法可以可靠地研究软组织的力学性能。
(4)将材料的本构参数和压力数值共同作为优化对象,利用有限元和神经网络相结合的方式得到了最佳的本构参数和加载力数值,从而得到了与文献更加吻合的时间-速度曲线与时间-位移曲线,同时证明了预估的材料本构参数的合理性。
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