吉林大学学报(工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (3): 897-902.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20180926

• • 上一篇    下一篇

毛蚶贝壳曲面承压力学特性及断裂机理

吴娜1(),庄健2,张克松1,王慧鑫2,马云海2()   

  1. 1. 山东交通学院 汽车工程学院, 济南 250023
    2. 吉林大学 工程仿生教育部重点试验室, 长春 130022
  • 收稿日期:2018-09-12 出版日期:2019-05-01 发布日期:2019-07-12
  • 通讯作者: 马云海 E-mail:wuna1978@163.com;myh@jlu.edu.cn
  • 作者简介:吴娜(1977?),女,副教授,博士.研究方向:仿生机械工程. E?mail:wuna1978@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金青年科学基金项目(51505259);山东省自然科学基金项目(ZR2015EL026)

Compression mechanical properties and fracture mechanism of Scapharca Subcrenata shell

Na WU1(),Jian ZHUANG2,Ke⁃song ZHANG1,Hui⁃xin WANG2,Yun⁃hai MA2()   

  1. 1. College of Automotive Engineering, ShanDong Jiaotong University, Jinan 250023, China
    2. Key Laboratory of Bionic Engineering, Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130022, China
  • Received:2018-09-12 Online:2019-05-01 Published:2019-07-12
  • Contact: Yun?hai MA E-mail:wuna1978@163.com;myh@jlu.edu.cn

摘要:

以毛蚶贝壳为研究对象,采用力学试验机对鲜体、浸泡体和干体不同含水状态下的毛蚶贝壳进行了曲面承压试验。通过贝壳承压力学试验数据和贝壳裂痕特征及微观结构进行毛蚶贝壳曲面的整体承压特性和破坏规律分析。结果表明,毛蚶贝壳在鲜体状态时曲面承压性能最好,浸泡体由于有机质流失其曲面承压性能下降,干体状态时曲面承压性能最差,且3种状态下贝壳的裂纹扩展和裂痕变化不同。本研究可为贝壳曲面力学性能研究和仿生应用研究提供重要的参考价值。

关键词: 工程仿生学, 贝壳曲面, 承压载荷, 力学特性, 断裂机理

Abstract:

The clamshell was used as the research object, and three types of clamshells under different water conditions were carried out by mechanical testing machine,including of the fresh, soaked and dry shells.Based on the experimental data of bearing pressure and the crack characteristics and microstructure of shell, the whole bearing pressure characteristics and fracture law of clamshell surface were analyzed. The results showed that the pressure performance of the shell surface is the best in the fresh body. The mechanical properties in soaked bodies decreased because of the loss of the organic matter after the soaking. The compression capacity declined sharply when the shell was dry.The reason was that the water lost in the shell body and the organic matter dried up. the shell crack propagation and shell crack change were different in the three states. This study will provide important reference value for the study of mechanical properties and biomimetic application of shell surfaces.

Key words: engineering bionics, shell surface, load pressure, mechanical properties, fracture mechanism

中图分类号: 

  • TB17

图1

毛蚶贝壳"

图2

承压试验用设备和样品放置状态"

表1

平均承压载荷与形变数据拟合参数及评估系数"

方程参数 试验贝壳状态
鲜 体 浸 泡 体 干 体
a 118.05 177.25 86.12
b 1 22270.40 51037.31 25586.46
b 2 1.97 -1.41 -1.87
b 3 -3.83 3.09 4.98
b 4 2.37 -1.76 3.12
R 2 0.9997 0.9998 0.9957

图3

毛蚶贝壳平均承压载荷与形变关系带宽曲线"

表2

不同状态贝壳平均承载载荷与形变量"

承压载荷/N 贝壳承压形变量 /mm
鲜体 浸泡体 干体
200 0.045 0.014 0.178
300 0.085 0.098 0.223
500 0.179 0.184 None

图4

毛蚶贝壳压缩曲线图"

图5

不同状态毛蚶贝壳曲面承压裂痕图"

图6

贝壳断面扫描电镜照片"

1 马云海,刘玉成,彭杰,等 . 环文蛤角质层与棱柱层结合特性研究[J]. 农业机械学报,2013,44(增刊1):297⁃300.
Ma Yun⁃hai , Liu Yu⁃cheng , Peng Jie , et al . Binding characteristics of cuticle and prism Layer of cyclina sinensis[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013,44(Sup.1):297⁃300.
2 Bruet B J F , Qi H J , Boyce M C , et al . Nanoscale morphology and indentation of individual nacre tablets from the gastropod mollusc trochus niliticus[J].Journal of Materials Research, 2005,20(9):2400⁃2419.
3 Sun J Y , Bhushan B . Hierarchical structure and mechanical properties of nacre: a review[J]. RSC Advances,2012,2(20):7617⁃7632.
4 Tian X M , Han Z W , Li X J , et al . Biological coupling anti⁃wear properties of three typical molluscan shell⁃Scapharca subcrenata, Rapana venosa, Acanthochiton rubrolineatus[J]. Science China Technological Science, 2010,53(11): 2905⁃2913.
5 Xia S , Wang Z N , Chen H ,et al . Nanoasperity: structure origin of nacre⁃inspired nanocom⁃ posites[J].ACS Nano,2015, 9(2):2167⁃2172.
6 Zlotnikov Igor , Schoeppler Vanessa .Thermodynamic aspects of molluscan shell ultrastructural morphogenesis[J]. Advanced Functional Material, 2017,27(28):1⁃14.
7 Suzuki Michio , Nagasawa Hiromichi . Mollusk shell structures and their formation mechanism[J]. Canadian Journal of Zoology⁃Revue Canadienne De Zoologie, 2013,91(6):349⁃366.
8 Mao L B , Gao H L , Yao H B , et al . Synthetic nacre by predesigned matrix⁃directed mineralization[J]. Science, 2016, 354(6308):107⁃110.
9 Cheng Q F , Jiang L , Tang Z Y . Bioinspired layered materials with superior mechanical performance[J]. Accounts of Chemical Research, 2014,47(4):1256⁃1266.
10 Duan J L , Gong S S , Gao Y ,et al . Bioinspired ternary artificial nacre nanocomposites based on reduced graphene oxide and nanofibrillar cellulose[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8 (16):10545–10550.
11 Jackson A P , Vincent J F V , Ihrner R M . The mechanical design of nacre[J]. Proceedings of the Royal Society of London, 1988,234(1277):415⁃440.
12 Barthelat F , Tang H , Zavattieri P D , et al . On the mechanics of mother⁃of⁃pearl:A key feature in the material hierarchical structure[J]. Journal of the Mechanics & Physics of Solids, 2007,55(2):306⁃337.
13 Barthelat F , Espinosa H D . Mechanical properties of nacre constituents:an inverse method approach in mechanical properties of bioinspired and biological materials[J]. Materials Research Society Proceedings, 2004, 844: 67⁃78.
14 田喜梅 .典型贝类壳体生物耦合特性及其仿生耐磨研究[D]. 长春:吉林大学生物与农业工程学院,2013.
Tian Xi⁃mei . Biological coupling and bionic anti⁃wear properties of typical molluscan shells[D]. Changchun: College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, 2013.
15 Albert L , Marc A M . Growth and structure in abalone shell[J]. Material Science and Engineering:A, 2005,390(1/2): 27⁃41.
[1] 熙鹏,丛茜,王庆波,郭华曦. 仿生条纹形磨辊磨损试验及耐磨机理分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1787-1792.
[2] 郭昊添,徐涛,梁逍,于征磊,刘欢,马龙. 仿鲨鳃扰流结构的过渡段换热表面优化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1793-1798.
[3] 田为军, 王骥月, 李明, 张兴旺, 张勇, 丛茜. 面向水上机器人的水黾运动观测[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(3): 812-820.
[4] 钱志辉, 周亮, 任雷, 任露泉. 具有仿生距下关节和跖趾关节的完全被动步行机[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(1): 205-211.
[5] 田丽梅, 王养俊, 李子源, 商延赓. 仿生功能表面内流减阻测试系统的研制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(4): 1179-1184.
[6] 陈东辉, 刘伟, 吕建华, 常志勇, 吴婷, 慕海锋. 基于虾夷扇贝体表结构的玉米茬根捡拾器仿生设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(4): 1185-1193.
[7] 李显生, 孟祥雨, 郑雪莲, 程竹青, 任圆圆. 非满载罐体内液体冲击动力学特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(3): 737-743.
[8] 王颖, 李建桥, 张广权, 黄晗, 邹猛. 基于多种介质的仿生步行足力学特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(2): 546-551.
[9] 葛长江, 叶辉, 胡兴军, 于征磊. 鸮翼后缘噪声的预测及控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(6): 1981-1986.
[10] 李梦, 苏义脑, 孙友宏, 高科. 高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(5): 1540-1545.
[11] 梁云虹, 任露泉. 自然生境及其仿生学初探[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(5): 1746-1756.
[12] 梁云虹, 任露泉. 人类生活及其仿生学初探[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(4): 1373-1384.
[13] 李建桥, 薛龙, 邹猛, 宗魏, 肖杰. 已有模拟火星壤力学性质分析及新火星壤研制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(1): 172-178.
[14] 钱志辉, 苗怀彬, 任雷, 任露泉. 基于多种步态的德国牧羊犬下肢关节角[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(6): 1857-1862.
[15] 邹猛, 于用军, 张荣荣, 魏灿刚, 王会霞. 仿牛角结构薄壁管吸能特性仿真分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(6): 1863-1868.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 郑文忠,张格明,柳旭东,张博一 . 灌浆方钢管压陷极限承载力试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(04): 794 -799 .
[2] 韩晓梅, 林学东, 李德刚, 李闯. 轻型车用柴油机起动怠速过渡过程瞬态喷油量控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(4): 1103 -1108 .
[3] 张富,赵继,庄艳 . 光学玻璃表面液流悬浮研抛加工[J]. 吉林大学学报(工学版), 2007, 37(03): 544 -0547 .
[4] 朱冰, 任露泉, 赵健, 李幼德. 基于逆乃奎斯特阵列法的车辆底盘主动转向与主动制动集成控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(增刊2): 41 -46 .
[5] 李琦,马建峰,熊金波,张涛,刘西蒙. 云中基于常数级密文属性基加密的访问控制机制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2014, 44(3): 788 -794 .
[6] 董凯, 刘瑜, 王海鹏. 基于质心参照拓扑的灰色航迹抗差关联算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(4): 1311 -1317 .
[7] 卢英, 王慧琴, 秦立科. 高大空间建筑火灾精确定位方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(6): 2067 -2073 .
[8] 刘红喜, 孙俊喜, 孙宏彬, 刘广文. 样本块双向匹配图像修补算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(6): 2111 -2115 .