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近年来,仿生黏附爬壁机器人的研究受到国际科学界的广泛关注,吸引了许多力学、材料、生物、物理、化学等研究者的兴趣。接触力学是进行相关研究的主要理论工具之一。由于生物黏附系统一般同时受接触面法向及切向应力的共同作用,而经典接触力学模型仅考虑了接触面法向应力作用或法向与切向应力解耦作用的情况,并缺乏梯度材料黏附接触模型的相关理论结果,这在很大程度上限制了仿生黏附深入系统的理论研究,发展广义黏附接触力学成为必要。本文对黏附接触力学模型进行了相关的理论研究。主要内容如下:
⑴针对各向同性材料受任意方向外力作用的情况,放弃现有接触模型的对称性接触条件,建立一般非对称模型,阐述了对称理论模型能够近似非对称模型的条件,并发现对称模型的拉脱力和拉脱半径偏离非对称模型的结果最大不超过12%。
⑵根据生物黏附系统的梯度特性,建立了材料杨氏模量呈梯度变化的黏附接触模型,通过能量分析方法发现:在二维平面应变模型中,界面黏附力与模量变化率η和梯度变化率κ密切相关,且可以优化黏附力,并进一步得到了二维Gibson材料(κ=1)的黏附接触解析解。
⑶建立了三维梯度材料黏附接触模型,发现其拉脱力只与梯度变化率κ线性相关,并得到了封闭的理论解析结果,该结果包含了JKR的理论解。同时,也给出了三维Gibson材料黏附接触问题的解析解。