一种基于变色龙舌头多层非线性仿生结构弹射的仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于变色龙舌头多层非线性仿生结构弹射的仿真方法，基于变色龙舌内鞘上相反方向的螺旋状胶原纤维构建了变色龙舌内鞘的各向异性本构模型。基于变色龙的多层舌内鞘结构，通过多层同心薄壁圆筒结构构建舌内鞘的几何模型。在各向异性本构模型和多层薄壁圆筒结构几何模型的基础上，结合非线性弹簧用于模拟不同鞘层之间的连接并为弹射过程提供初始能量，构建变色龙仿生弹射结构的有限元模型，建立了变色龙舌头弹射的数值仿真模型，可以在此仿真的基础上指导基于变色龙舌头的仿生机器人的设计，完成如内部纤维角度等材料参数以及尺寸参数的寻优。参数以及尺寸参数的寻优。参数以及尺寸参数的寻优。

【技术实现步骤摘要】
一种基于变色龙舌头多层非线性仿生结构弹射的仿真方法


[0001]本专利技术涉及变色龙舌头等仿生柔性材料有限元仿真
，具体涉及一种基于变色龙舌头多层非线性仿生结构弹射的仿真方法，为以变色龙舌头为基础的仿生软体机器人提供了基础。

技术介绍

[0002]近年来，基于3D打印技术和新型柔性智能材料的发展，衍生出了一门新的学科—仿生软体机器人。仿生软体机器人以自然界的软体动物或某组织器官为原型，其本体是由可以承受大应变的柔性材料制成，同时自身良好的安全性、适应性和柔顺性弥补了传统刚性机械结构的不足。变色龙舌头作为一个典型的软体生物器官，体型小巧，重量轻，且在捕食时能够将鞘内的弹性能迅速转化为动能以接近6m/s的速度将舌复合体发射出去，其特殊结构具有很好的能量转换性质。并且由于舌头内部特殊的多层鞘单元结构可以将舌复合体伸长至身体的1.5倍长，这种快速释放并能产生超长形变的特殊柔性生物结构具有重大的应用价值。比如，机器人表面材料对压力的低阻抗性，可以通过被动的适应变形与目标物体接触，因此在抓持复杂表面或易碎物体方面表现突出；其大幅度的弯曲，扭转和伸缩的能力，可以在有限空间如内腔手术和野外救援等环境下进行工作；此外，其质量轻、噪声低、发射速度快等特点在军事侦察领域有很好的应用潜力。
[0003]目前针对于生物柔性结构问题有多种研究方法，由于传统的力学试验研究需要完善的实验设备和较高的人力物力，大大增加了实验成本，而随着计算机的发展，可以使用数值模拟生物力学实验得到近似解，但目前还没有一种针对于变色龙舌头弹射过程简单可靠的仿真方法，主要原因包括缺少可以一种可以准确描述的其舌内鞘结构的本构模型，缺少构建多层鞘单元之间的连接方法，并且难以模拟变色龙舌头弹射过程中弹性能到舌复合体动能之间的能量转化。
[0004]在本专利技术中，将提供一种基于变色龙舌头多层非线性仿生结构弹射的仿真方法，本专利技术提出的方法为变色龙舌头弹射过程的有限元模拟提供了新的思路，并将为进一步的基于变色龙舌头的仿生软体机器人设计提供理论基础。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于变色龙舌头多层非线性仿生结构弹射的仿真方法，是一种简单可靠的变形有限元仿真方法，对基于变色龙舌头的仿生软体机器人设计有巨大的应用价值。
[0006]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：本专利技术用作基于变色龙舌头的仿生软体机器人设计中，针对于目前缺失的舌内鞘材料本构进行构建，并利用非线性弹簧实现鞘结构之间的连接和初始弹性能向动能的能量转换，实现变色龙舌复合体柔性结构的有限元仿真，完成如内部纤维角度等材料参数以及尺寸参数的寻优，在此仿真的基础上指导基于变色龙舌头的仿生机器人的设计。
[0007]第一方面，本专利技术提供一种基于变色龙舌头多层非线性仿生结构弹射的仿真方法，其特征在于，用于以变色龙舌头作为原型的仿生机器人设计，实现步骤如下：
[0008]第一步：基于变色龙舌内鞘上相反方向的螺旋状胶原纤维结构，构建变色龙舌内鞘的各向异性自由能函数；
[0009]第二步：根据第一步变色龙舌内鞘的各向异性自由能函数获得舌内鞘超弹性各向异性本构模型；
[0010]第三步，在第二步中所述舌内鞘超弹性各向异性本构模型的基础上，通过多层同心薄壁圆筒结构模拟变色龙舌内鞘的多层结构，结合非线性弹簧用于模拟舌内鞘不同鞘层之间的连接并为弹射过程提供初始能量，构建变色龙仿生弹射结构的有限元模型，实现变色龙舌头弹射过程的数值仿真。
[0011]由于目前还没有一种针对于变色龙舌头弹射过程简单可靠的仿真方法，主要原因包括缺少可以一种可以准确描述的其舌内鞘结构的本构模型，缺少构建多层鞘单元之间的连接方法，并且难以模拟变色龙舌头弹射过程中弹性能到舌复合体动能之间的能量转化。本专利技术解决了上述问题，实现了变色龙舌头弹射过程的有限元模拟，可以用在基于变色龙舌头的仿生软体机器人设计中。
[0012]进一步，所述第一步中，基于变色龙舌内鞘上相反方向的螺旋状胶原纤维，构建的变色龙舌内鞘的各向异性自由能函数为：
[0013][0014]其中，μ
is
为鞘剪切模量，μ
is
α
is
为鞘纤维剪切模量，D为材料的不可压缩参数；分别是两族纤维方向上与拉伸有关的不变量，M
+
和M
‑
为两族纤维增强方向的方向向量，为等容右Cauchy
‑
Green变形张量，J为变形梯度张量F的第三不变量即行列式满足J＝detF，F为变形梯度张量，为等容变形梯度张量，为等容变形梯度张量的第一不变量满足
[0015]进一步，所述第二步中，根据变色龙舌内鞘的各向异性超弹性本构模型包括应力应变关系和雅可比矩阵，其中：
[0016]应力
‑
应变关系满足：
[0017][0018]其中，μ
is
为鞘剪切模量，μ
is
α
is
为鞘纤维剪切模量，D为材料的不可压缩参数，F为变形梯度张量，J为变形梯度张量F的第三不变量即行列式满足J＝detF，为等容变形梯度张量，为等容变形梯度张量的第一不变量满足的第一不变量满足分别是两族纤维方向上与拉伸有关的不变量，M
+
和M
‑
为两族纤维增强方向
的方向向量，为两族纤维变形后的方向向量，I为二阶单位张量，为等容左Cauchy
‑
Green变形张量；为等容右Cauchy
‑
Green变形张量；
[0019]总雅可比矩阵C
(all)
包括相反方向的螺旋状胶原纤维部分对应雅可比矩阵C
ijkl(aniso)+
，C
ijkl(aniso)
‑
以及本构模型中各向同性部分对应雅可比矩阵C
(iso)
，满足：
[0020]C
(all)
＝C
(aniso)+
+C
(aniso)
‑
+C
(iso)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0021]其中，相反方向的螺旋状胶原纤维部分对应雅可比矩阵C
ijkl(aniso)+
，C
ijkl(aniso)
‑
有：
[0022][0023][0024]本构模型中各向同性部分对应雅可比矩阵C
(iso)
为：
[0025][0026]其中，i为4阶张量满足i＝i
ijkl
＝I
ik
I
jl
。
[0027]进一步，所述第三步中，构建变色龙仿生弹射结构的有限元模型，实现变色龙舌头弹射过程的数值仿真具体如下进行：
[0028](1)根据实际变色龙舌头几何结构，选用多层同心薄壁圆筒作为几何模型用来模拟变色龙内部的舌内鞘结构，在第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于变色龙舌头多层非线性仿生结构弹射的仿真方法，其特征在于，用于以变色龙舌头作为原型的仿生机器人设计，实现步骤如下：第一步：基于变色龙舌内鞘上相反方向的螺旋状胶原纤维结构，构建变色龙舌内鞘的各向异性自由能函数；第二步：根据第一步变色龙舌内鞘的各向异性自由能函数获得舌内鞘超弹性各向异性本构模型；第三步，在第二步中所述舌内鞘超弹性各向异性本构模型的基础上，通过多层同心薄壁圆筒结构模拟变色龙舌内鞘的多层结构，结合非线性弹簧用于模拟舌内鞘不同鞘层之间的连接并为弹射过程提供初始能量，构建变色龙仿生弹射结构的有限元模型，实现变色龙舌头弹射过程的数值仿真。2.根据权利要求1所述的一种基于变色龙舌头多层非线性仿生结构弹射的仿真方法，其特征在于：所述第一步中，基于变色龙舌内鞘上相反方向的螺旋状胶原纤维，构建的变色龙舌内鞘的各向异性自由能函数为：其中，μ
is
为鞘剪切模量，μ
is
α
is
为鞘纤维剪切模量，D为材料的不可压缩参数；分别是两族纤维方向上与拉伸有关的不变量，M
+
和M
‑
为两族纤维增强方向的方向向量，为等容右Cauchy
‑
Green变形张量，J为变形梯度张量F的第三不变量即行列式满足J＝detF，F为变形梯度张量，为等容变形梯度张量，为等容变形梯度张量的第一不变量满足3.根据权利要求1所述的一种基于变色龙舌头多层非线性仿生结构弹射的仿真方法，其特征在于：所述第二步中，根据变色龙舌内鞘的各向异性超弹性本构模型包括应力应变关系和雅可比矩阵，其中：应力
‑
应变关系满足：其中，μ
is
为鞘剪切模量，μ
is
α
is
为鞘纤维剪切模量，D为材料的不可压缩参数，F为变形梯度张量，J为变形梯度张量F的第三不变量即行列式满足J＝detF，为等容变形梯度张量，为等容变形梯度张量的第一不变量满足的第一不变量满足分别是两族纤维方向上与拉伸有关的不变量，M
+
和M
‑
为两族纤维增强方向的方向向量，为两族纤维变形后的方向向量，I为二阶单位张量，为等容左Cauchy
‑
Green变形张量；为等容右Cauchy
‑
Green变形张量；
总雅可比矩阵C
(all)
包括相反方向的螺旋状胶原纤维部分对应雅可比矩阵C
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云龙，吕光正，刘清漪，胡天翔，邓慧超，刘振臣，王晓军，邱志平，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：