【摘 要】
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蜥蜴目动物将柔软的舌头弹射向猎物进行捕捉是一种具有速度快、准确性强、柔性大特点的生物现象。这种特性在仿生特种装备、军事科技、航空航天等领域具有巨大的应用潜力。然而现有的弹射机械结构主要采用刚性结构,存在质量大,速度响应慢、破坏性强等缺陷。基于此,以蜥蜴目动物舌头弹射机制为启发,设计了一种仿蜥蜴目动物柔性弹射结构。该结构由柔性橡胶材料组成,其本构模型由超弹性体理论、拉伸试验和有限元仿真确定;建立了仿
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蜥蜴目动物将柔软的舌头弹射向猎物进行捕捉是一种具有速度快、准确性强、柔性大特点的生物现象。这种特性在仿生特种装备、军事科技、航空航天等领域具有巨大的应用潜力。然而现有的弹射机械结构主要采用刚性结构,存在质量大,速度响应慢、破坏性强等缺陷。基于此,以蜥蜴目动物舌头弹射机制为启发,设计了一种仿蜥蜴目动物柔性弹射结构。该结构由柔性橡胶材料组成,其本构模型由超弹性体理论、拉伸试验和有限元仿真确定;建立了仿蜥蜴目动物柔性弹射结构运动学方程,并对其进行了运动学分析;在此基础上,利用高精度有限元模型对仿蜥蜴目动物柔性弹射结构弹射过程进行了分析,并深入研究了初始位移、初始转角对速度响应时间、射程、运动轨迹等弹射特性的影响。主要研究工作如下:(1)基于蜥蜴目动物舌头弹射机制启发,设计了一种仿蜥蜴目动物新型柔性弹射结构。首先,对该类新型柔性弹射结构的组成材料进行了选择,基于柔性大、速度响应快的运动特性,确定了新型柔性弹射结构由柔性超弹性橡胶材料组成。其次,因为Yeoh模型模拟大变形、拉伸变形精度高,符合新型柔性弹射结构大变形、拉伸变形的形变特征,且Yeoh模型可通过单轴拉伸试验数据进行拟合,未知参数少,具有最高的求解效率;所以选择了Yeoh模型作为橡胶材料的超弹性本构模型。最后,基于拉伸试验数据拟合确定了Yeoh本构模型参数C10=0.35、C20=0.25。(2)以弹射物刚体运动为假设,利用拉格朗日方法,建立了新型柔性弹射结构的运动模型,分析了新型弹射结构的运动特性。根据弹射物刚体运动假设,将弹射过程划分为蓄能弹射、无约束运动、限位运动三个阶段,对各阶段弹射运动建立了仿蜥蜴目动物柔性弹射结构运动模型,并对其进行了运动学分析,阐明了仿生柔性弹射结构的快速弹射机制;以蜥蜴目动物的生理结构和弹射机制为基础,设计了一种满足速度响应快、柔性大、准确性强的运动特性的新型柔性弹射结构,结合有限元仿真对新型弹射结构的运动特性进行了分析。(3)进一步建立了高精度有限元模型,分析了新型柔性弹射结构的弹射特性,深入研究了初始位移对速度响应时间、射程、运动轨迹等弹射特性的影响。首先,在有限元仿真软件中采用Standard&Explicit模型建立了精准的弹射模型并对其进行了非线性动力学显式有限元分析,根据有限元分析结果,在初始位移9cm的情况下,仿生弹射结构在10ms内完成弹射,弹射物出射速度达80m/s,弹射物偏心距离小于0.5mm,弹射结构形变伸缩比大于10,这验证了仿生弹射结构速度响应快,准确性强、形变率大的特点。其次,以有限元分析为基础对新型柔性弹射结构进行了参数化分析,深入研究了初始位移对速度响应时间、射程、运动轨迹等弹射特性的影响,得到了各弹射特性参数在不同初始位移时关于时间的变化曲线,通过数据拟合得到了仿蜥蜴目动物柔性弹射结构在不同初始条件下的弹射规律。
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