番茄果实的多尺度生物力学耦合与关联机理研究

基本信息
批准号:U1204107
项目类别:联合基金项目
资助金额:30.00
负责人:李智国
学科分类:
依托单位:河南理工大学
批准年份:2012
结题年份:2015
起止时间:2013-01-01 - 2015-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:
关键词:
生物材料多尺度生物力学跨尺度关联番茄果实多过程耦合
结项摘要

Fruit anatomy has a close relationship with its mechanical properties. Tomato fruit, whose multi-scale mechanical characteristics from macro-scale to micro-scale show such as fruit biomechanics-tissue biomechanics-cell biomechanics, is a hierarchically structured material and living. Furthermore, multi-process coupling has a significant effect on fruit biomechanics. However, not much is known about the trans-scale correlation mechanism of fruit biomechanics under the multi-process coupling conditions so far. Previous researches mainly focus on the prediction of macro-biomechanics or micro biomechanics of tomato fruit based on continuous medium hypothesis. Hence, the coupling and correlation mechanism of multi-scale mechanics in tomato fruit will be predicted after the multi-scale finite element model is created according to the determined multi-scale anatomy and biomechanics firstly in this project. In the multi-scale model of tomato fruit, the tissue element will be used to relate tissue to cells; the fruit consists of different types of tissue, each of which is a highly structured arrangement of tissue element at the macro-scale model; the structure characteristics of finite cells are reflected by tissue element at the micro-scale model. After the multi-scale finite element model of fruit is created, the trans-scale correlation mechanism of fruit biomechanics under the multi-process coupling conditions will be investigated by changing the mechanical parameters and constitute structure of tissue element at the micro-scale model. The research has important significance for unraveling the relationship between the loads applied to tomato fruit and the strain or failure of internal tissues and cells and it also provides a new idea for investigating the multi-scale mechanics and bionics of biomaterials in fruits and vegetables.

果实的解剖结构与其力学特征紧密相关。番茄作为一种有生命的分级结构化材料,从宏观到微观呈现出多尺度力学特征:果实力学—组织力学—细胞力学,且多过程耦合对番茄的力学特征影响显著。但多过程耦合下番茄力学特征的跨尺度关联机理至今尚不明确。前期研究主要通过基于连续介质假说的有限元模型预测番茄果实的宏观力学或微观力学,据此本课题拟从果实的多尺度解剖学和力学特征测定入手,通过构建多尺度有限元模型,预测番茄果实的多尺度力学耦合与关联机理。建模时,拟将组织单元作为连接果实组织与细胞之间的桥梁,果实和组织的宏观模型由组织单元排列而成,组织单元的微观模型体现有限个细胞的结构特点。建模后,通过改变组织单元的材料力学参数和组成结构,探索多过程耦合下番茄力学特征的跨尺度关联机理。该研究对揭示番茄果实在外载荷作用下的内部组织变形与机械损伤规律具有重要指导意义,亦为探索果蔬类生物质材料的多尺度力学和仿生学提供了新思路。

项目摘要

果实的解剖结构与其力学特征紧密相关。番茄果实作为一种有生命的分级结构化材料,从宏观到微观呈现出多尺度力学特征:果实力学—组织力学—细胞力学。但番茄果实力学特征的跨尺度关联机理至今尚不明确。前期研究主要通过基于连续介质假说的有限元模型预测番茄果实的宏观力学或微观力学,据此本课题从果实的多尺度解剖学和力学特征测定入手,通过构建多尺度有限元模型,预测番茄果实的多尺度力学关联机理。建模时,将细胞群作为连接果实组织与细胞之间的桥梁,果实和组织的宏观模型由细胞群排列而成,细胞群的微观模型体现有限个细胞的结构特点。建模后,通过改变细胞群的材料力学参数和组成结构,探索番茄果实力学特征的跨尺度关联机理。本研究以番茄果实为研究对象,研究方法可应用于其他水果。该研究对揭示果实在外载荷作用下的内部组织变形与机械损伤规律具有重要指导意义,亦为探索果蔬类生物质材料的多尺度力学和仿生学提供了新思路。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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