典型生物止裂、抗疲劳功能特性的多因素耦合机理与规律研究

How to improve the anti-fatigue property of the mechanical parts, which is an important and urgent problem to be solved in many engineering fields. Many organisms in nature exhibit excellent crack-arrest and anti-fatigue properties due to the cooperation and coupling of their special configuration, structure and material. The functional characteristics presented by organisms provide an biological inspiration for improving fatigue property of the mechanical parts. In this program, the anti-fatigue organisms such as the shell of mollusc and the wings of insects, were selected as the research object, and we researched the biological multi-coupling anti-fatigue law and mechanism. The research contents included that the study on the biological characterlistic,mechanical property and multi-coupling mechanism of biological crack-arrest and anti-fatigue characteristic. Moreover, we could establish and optimize physical and mathematical models of biological crack-arrest and anti-fatigue characteristic. The purpose of our research is to reveal the coupling property, coupling interactions, coupling mode and implementation mode,the specific and general character，mechanical mechanism of biological crack-arrest and anti-fatigue characteristic.Furthermore, the purpose of our research is to reveal the biological multi-coupling crack-arrest and anti-fatigue law and mechanism, which offer the theoretical basis on the bionic coupling anti-fatigue technique and material which possess the advantages of highest anti-fatigue, best fatigue condition adaptability and lowest energy cost.

如何提高机械部件的抗疲劳性能，是众多工程领域亟待解决的问题。自然界中许多生物以其特殊的形态、结构、材料等多个因素的协同、耦合作用，展现出优异的止裂、抗疲劳功能，为人类改善机械部件疲劳性提供了最可靠、最高效、最经济的仿生模本。本项目以软体动物的壳及昆虫翅膀等为研究对象，开展生物止裂、抗疲劳多因素耦合机理与规律研究。研究内容包括：①生物止裂、抗疲劳生物学特征与规律研究；②生物止裂、抗疲劳力学性能研究；③生物止裂、抗疲劳功能特性多因素耦合机理研究；④生物耦合止裂、抗疲劳模型建立与优化研究等。达到的目标：①揭示生物止裂、抗疲劳功能耦合因素特性、作用关系、耦联方式及功能实现模式；②揭示生物耦合止裂、抗疲劳功能的个性与共性规律及其力学机制；③揭示生物止裂、抗疲劳多因素耦合特征规律与机制等，为工程领域开发功能最优化、环境适应最佳化、本身能量消耗最低化的新型抗疲劳技术与材料提供新方法。

项目背景：.如何提高机械部件的抗疲劳性能，是众多工程领域亟待解决的问题。自然界中许多生物以其特殊的形态、结构、材料等多个因素的协同、耦合作用，展现出优异的止裂、抗疲劳功能，为人类改善机械部件疲劳性提供了最可靠、最高效、最经济的仿生模本。.主要研究内容：.本项目以软体动物的壳、昆虫翅膀、植物叶片等为研究对象，开展生物止裂、抗疲劳多因素耦合机理与规律研究。研究内容主要包括：①生物止裂、抗疲劳生物学特征与规律研究；②生物止裂、抗疲劳力学性能研究；③建立生物多因素耦合止裂、抗疲劳模型；④生物止裂、抗疲劳功能特性多因素耦合机理研究。.重要结果及关键数据：.①本项目优选了不同种类、不同生境下的生物，采集并收集了具有止裂、抗疲劳功能的典型生物，并对其进行归纳分类、样品制备；结合不同类型生物模本的典型生物学特征，进行了构型、形态、结构、材料等表征，完成了样本的生物学特征测试、物理化学性能分析。.②针对不同种类、不同生境下的具有止裂、抗疲劳功能的生物，根据其典型特征按需测试并分析了生物体功能部位的力学性能、抗弯性能、止裂性能、抗疲劳性能，探究了各因素对宏观与微观应力的吸收、分散与缓释作用规律，揭示了生物耦合止裂、抗疲劳功能的力学特性与机制。.③提取了对生物止裂、抗疲劳功能起支配作用的表观几何形态、复合结构、材料成分等特征因素，揭示了典型生物止裂、抗疲劳个性与共性特征与规律。.④探究了各耦合因素对裂纹萌生和扩展的阻滞作用与方式，明晰了生物各耦合因素耦合协同作用实现止裂、抗疲劳功能的模式，建立了生物多因素耦合止裂、抗疲劳模型，揭示了不同种类、不同生境下生物多因素耦合抗疲劳机理与特征规律。.⑤已发表SCI检索论文4篇，待发表学术论文3篇；已授权专利1件；参加国际学术会议4人次，国内学术会议1人次；培养硕士研究生1名，博士研究生4名。.科学意义：.本项目为工程领域开发功能最优化、环境适应最佳化、本身能量消耗最低化的新型抗疲劳技术与材料提供了新方法。