三维打印贝壳仿生结构的力学性能研究固体力学专业论文.docxVIP

中国科学技术大学学位论文原创性声明本入声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本入声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰 写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了 作者签名： 邋 明确的说明。 签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入 《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的 内容相一致。 位论文在解密后也遵守此规定。 口必威体育官网网址 年 作者签名：≤龉 导师签名：鎏鱼蔓 签字日期：邕!￡：6：生 签字日期：?竺!生：5．篁 万方数据 摘要摘要 摘要 摘要 在自然界中，许多生物复合材料都具有精确的微结构和不可思议的力学性 能。贝壳珍珠层正是由于其独特的碳酸钙与有机质交替的多级“砖——泥”结 构以及高强度、高韧性的力学特性被研究人员广泛关注。贝壳珍珠层作为仿生 复合材料的热点问题，研究其高度有序的微观结构和增韧机理对许多应用领域 具有指导意义。 与复合材料领域的贝壳珍珠层研究相似，三维打印也是快速成型领域的热 门技术。随着三维打印技术的快速发展，研究和开发人员能够通过三维打印技 术将灵感方便快捷地变成现实。本文受天然贝壳珍珠层高强度、高韧性的启发， 利用三维打印技术制备仿生复合材料，结合复合材料力学剪切迟滞理论、拉伸试 验、有限元分析和粗粒化相变模拟研究复合材料几何结构与整体弹性模量、断 裂模式和断裂韧性的关系。 我们首先根据复合材料细观力学中短纤维复合材料单元的应力传递机制推 导了Cox经典剪切迟滞理方程。为了符合贝壳珍珠的天然结构，在经典剪切迟 滞理论基础上，我们又引入了Begley带有砖块端部软胶层粘结作用的二维贝 壳仿生单元模型，该模型能够用于描述仿生复合材料单元内部的应力分布、弹 性模量和三种不同的断裂模式。随后，我们利用朗道连续相变自由能理论和 Muller的双稳定性理论理解拉伸曲线的水平波动阶段。 在本文的实验部分，我们根据贝壳珍珠层的天然结构制备不同几何尺寸的 “砖——泥’’结构复合材料拉伸试样和裂纹扩展试样。通过拉伸试验，我们详细 地观察了拉伸试样在三个主要拉伸阶段内的受力形变形状态。通过改变拉伸试 样的几何参数，我们获得了拉伸试样的三种最终破坏模式、拉伸试样弹性模量、 几何尺寸对整体力学特性的影响趋势、带预制裂口拉伸试样的裂纹扩展特性等。 本文的模拟工作主要分为三个部分，第一部分是利用有限元方法分析周期 性的仿贝壳单元的应力分布，得到弹性模量与微结构尺寸之间的影响关系，分 析了仿生复合结构的三种断裂模式，预测了砖块端部软胶的裂纹形核区域。第 二部分是利用有限元方法进行了仿贝壳整体模型的拉伸模拟，得到了仿贝壳结 构整体从外到内逐渐开裂的破坏机制。第三部分是采用双稳定性理论建立粗粒 化模型，详细探讨了仿贝壳整体拉伸曲线的水平波动机制。 总之，本文探索了利用立体光固化成型三维打印技术制备并研究仿生复合 材料的科研模式，研究了仿贝壳复合材料的料弹性模量、断裂模式和断裂韧性， 对于复合材料的结构设计具有借鉴意义。 关键词： 三维打印，仿生复合材料，拉伸试验，断裂，有限元，双稳定性 万方数据 ABSTRACTABSTRACT ABSTRACT ABSTRACT In nature，many biological composite materials wim precise micro s仃ucture and unbelievable mechanical performance．Pearl layer of shell due to its unique calcium carbonate and organic matter alternating multi-stage”brick-mud”s仃llctLlre，and excel— lent mechanical properties，is hot issue of biomimetic materials．This study have sig— nificance guiding on the highly ordered microstructure and toughening mechanism of many application domains As the stud