摘要
自然界的生物材料几乎都是复合材料，它们经过亿万年的物种竞争和自然进化，已经形成了许多天然合理的结构。由于传统复合材料在结构优化方面面临着许多问题，自然复合材料的精细构造愈来愈引起人们的广泛注意，如此引发了对复合材料进行仿生设计的思考。中轴作为一种形态现象普遍存在于许多生物体中，这种形态构造与生物体的生长必然存在某种联系。论文以双子叶植物叶片作为研究对象，通过实验与数值分析方法探索了植物叶片的叶脉与其力学性能之间的关系，对中轴增强复合材料的机理进行了解释。论文主要工作包括： (1)在三维坐标测量仪WENZEL LH65上采集普通新鲜双子叶植物叶片的坐标数据，并用有限元软件ANSYS对叶片轮廓和叶脉进行了模型化。以铜片为实验材料，以叶片图样为蓝本在铜片上划线，采用化学腐蚀的方法制作了若干片铜叶脉，并进行了实验方法的比较与设计，选取了实验费用少，见效快的方案。 (2)用有限元软件ANSYS对模型进行了分析，并与实验数据进行了比较，两者的一致性表明了数值模拟的可靠性。 (3)对侧脉不同向量角的模型的数值模拟结果表明，基于中轴分布的模型的刚度要好，总应变能要小，即表现出很好的机械综合性能。 (4)依数学与形态的关系计算了叶片边缘与主脉之间的角度，从理论上分析出叶脉其实是一个完美的等角坐标系，叶脉在结构上是一种对称特征，在传递养料、应力方面路径最短且最有效，完全符合路径最短与对称原理。依植物叶片生长过程中的应力一生长关系，用功能适应性原理，解释了植物叶片的组织构成与叶脉分布在自然选择过程中已经形成了良好的匹配关系。符合植物的最大生长率与系统最小势能的生态学约束关系。 (5)对叶片状模型进行了拓扑优化，从优化结果可知拓扑结果与实际叶脉的分布具有相似性，表明中轴分布对叶片的整体刚度贡献最优。
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