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答辩博士：郑宇

指导教师：郭策 教授/博导

论文题目：中华鲟背部骨鳞-鱼皮形态结构、力学特性及其仿生研究

答辩委员会名单：

答辩秘书：李宏凯  讲师/硕导

答辩时间：2021-9-7 下午3:00

答辩地点：腾讯会议

学位论文简介：

生物结构卓越防护能力的研究一直是仿生学的重要课题，该研究有助于提高人们对自然界生物结构功能进化的理解，同时也有助于指导人类工程结构设计。中华鲟起源于白垩纪，同时具有软骨鱼类与硬骨鱼类的部分特征，具有很高的学术价值。一直以来对于中华鲟的研究主要着眼于生物进化、胚胎繁殖以及群落结构等生物领域的研究。本论文通过生物力学测试及模型计算，研究了中华鲟背部骨鳞及鱼皮结构-力学-功能之间的关联特性和防护机制，在此基础上，提出一种具有多层级与“软硬结合”特征的仿生结构，以期为抗低速冲击防护结构领域作出贡献。

本论文开展了以下几个方面的工作：

(1) 通过显微观测、纳米压痕测试、显微硬度测试以及拉伸、压缩和刺穿试验，对中华鲟背部骨鳞结构形态-力学性能-防护机制之间的相关特性进行了深入研究。相比于普通鱼鳞，中华鲟背部骨鳞结构的矿化程度更高，强度与弹性模量更大，可承受的咬合力更高。同时具有覆瓦状结构特征的骨鳞变形吸能特性优越，可进一步提高其防护性能。

(2) 通过扫描电镜和EDS对鱼皮结构及成分进行测试与分析，发现中华鲟鱼皮主要由致密层结构组成，沿着鱼体头部至尾部方向，致密层中的纤维铺层角度逐渐降低。进一步对鱼皮进行生物力学测试与分析，揭示中华鲟鱼皮结构中的纤维铺层组织在抵御拉伸和刺穿时具有不同的防护机制。对另外三种鱼类鱼皮组织进行结构形态和力学特性研究，结果表明这些鱼皮致密层中的纤维铺层角度变化以及该变化对鱼皮力学特性的影响与中华鲟鱼皮测试结果相同。

(3) 通过多材料3D打印制备技术制备出具有不同纤维铺层角度的仿生螺旋纤维结构试样，并测试其断裂韧性，分析了结构中的裂纹传播特征和纤维铺层的增韧机理。在此基础上，建立具有连续曲线特征的理论分析模型，通过偏转角β′ 、扭转角ϕ以及应力强度因子和裂纹前端塑性区对柔性纤维铺层结构的增韧机理和最优铺排角度进行了深入研究，并制备出仿生鱼皮柔性复合结构对理论模型进行了试验验证。

(4) 对中华鲟背部骨鳞结构形态进行分类，通过三维扫描、逆向建模和参数设计，获得多种仿生骨鳞结构并采用3D打印技术制备试样，在此基础上对仿生骨鳞结构的变形能力进行试验测试。

(5) 将具有高强度的仿生鳞片结构和具有高柔韧性的仿生鱼皮结构相结合，设计出仿生多层级柔性复合结构。利用有限元仿真和试验测试，揭示了仿生复合结构的变形吸能特性和防御机制。最后，通过响应面法和遗传算法对仿生复合结构进行多目标优化设计，得到兼具高强与高韧性能的最优仿生复合结构。

主要创新点：

本论文的工作属于生物学、力学、材料与机械等学科的交叉研究，学科内容涉及面广，跨度较大，研究内容具有较强的挑战性。本论文的创新点如下：

(1) 首次对中华鲟背部骨鳞及鱼皮结构的形态特征和生物力学特性进行了系统性研究。对骨鳞的结构成分、变形吸能特性和防护机制进行深入分析，并依据结构仿生学原理开展仿生设计；对中华鲟鱼皮不同位置处的纤维铺层特征和柔性防御机制进行了深入研究，揭示了中华鲟鱼皮在应对拉伸和刺穿时具有不同的防护机制。

(2) 揭示了柔性纤维铺层结构的抗断裂机制，对纤维铺层角度与裂纹传播轨迹以及与裂纹前端塑性区的关系进行了深入研究，并得到了最佳的纤维铺层角度范围。

(3) 结合中华鲟骨鳞结构的高强度特性和中华鲟鱼皮的柔韧特性，设计出一种新的仿生多层级柔性防护结构，并揭示其不同层级结构的吸能特性和抗冲击特性，为抗低速冲击柔性防护结构的设计提供了新的思路。