22 / 2021-03-25 17:17:22

手性纤维和加捻纤维的拉拔力学行为

手性纤维；加捻纤维；拉拔模型；应力传递；

手性微结构在木头、骨头等生物材料中广泛存在，对其性能和功能有重要影响。在软体机器人、柔性驱动器等器件中，加捻（预扭转）形成的纤维等手性微结构可以显著提高材料和器件的柔性、延展性和断裂韧性等，经常作为柔性器件变形驱动的结构单元，在致动、传感和传导等方面与一般纤维相比，有明显优势。在上述生物材料和柔性器件中，纤维等手性微结构和基体之间的应力传递、界面的脱粘和摩擦等在很大程度上决定了生物材料的力学性能、柔性器件系统的变形驱动和结构完整性。然而，由手性微结构导致的性能手性（材料手性）和预扭转如何影响材料和器件性能还不清楚。本文建立了考虑材料手性和几何手性的纤维拉拔的剪滞力学模型，分析了纤维-基体界面的应力传递行为，研究了此类纤维从弹性基体中拔出的脱粘过程。理论结果与有限元模拟结果进行了对比，二者结果吻合良好。结果表明，材料手性和预扭转都能使纤维拉拔时产生耦合的扭转变形，弹性基体也相应存在环向剪切应力，并且表现出圣维南形式的指数衰减，其衰减半径和纤维直径大致相当。耦合扭转变形对纤维-基体界面的脱粘也有很大影响。此工作对于理解生物材料的结构-性能关系、柔性器件的变形控制及仿生设计等具有重要意义。