1. Inicio
  2. Atrás
Título: A multiscale approach to mechancial modeling of a leaf petiole: integrating cell wall, cellular tissues, and structural morphology
Autores: Faisal, Md Tanvir
Fecha: 2014
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Engineering - Mechanical
Descripción: A plant is a natural hierarchical structure, which exhibits remarkable mechanical properties. The macro (scale) mechanical properties of a plant are the cumulative outcome of the structural properties of its preceding level of structural hierarchy. To develop engineering structures inspired by a plant and its organs, a comprehensive characterization of its mechanical properties exhibited at multiple hierarchical orders is essential to mimic such structures for engineering application. This thesis presents a set of theoretical and computational models at various orders of the structural hierarchy to capture the overall structural properties of a plant petiole. The modeling method is framed within a multiscale mechanics framework, which is essential for any structure displaying hierarchical orders of organization. The macro structural properties, i.e. flexural and torsional stiffness, of a plant petiole are obtained by correlating cell wall construction, tissue microstructure, and structural shape morphology. The stiffness of the cell wall is modeled using the theory of a fiber reinforced composite material. The microarchitecture of the constituent tissues that govern the properties of the petiole are modeled with a novel algorithm – finite edge centroidal Voronoi tessellation (FECVT) - that is capable to provide a realistic visualization of the tissue. The effective stiffness properties of the constituent tissues are obtained via finite element analysis of the FECVT models coupled with cell wall properties. With the properties of the tissues, the cross-sectional shape of the petiole at the structural level is considered to determine its flexural and torsional stiffness, which are also validated experimentally for rhubarb petiole. This multiscale mechanical model will elucidate the role of each order of structural hierarchy to determine the structural compliance of the petiole. A hierarchical modeling approach that captures the overall structural properties of a petiole has been introduced in this thesis. In particular, the model develops a relationship between the micro and macrostructural properties using a tailored multiscale mechanics approach. Therefore, this research can bridge the gap between plant biology and engineering to develop novel bio-inspired material and structures. This research can also help to develop fundamental knowledge of plant cellular bio-mechanics and its impact on the macroscopic mechanics of stems and petioles with the end goal of transferring this knowledge to the processing and design of compliant engineering structures and materials.
Une plante est une structure hiérarchique naturelle, qui présente des propriétés mécaniques remarquables. Les propriétés mécaniques à grande échelle d'une plante sont le résultat cumulatif des propriétés structurelles du niveau précédent de la hiérarchie structurelle. Pour développer des structures de génie inspirées par une plante et ses organes, une caractérisation détaillée de ses propriétés mécaniques manifestées aux multiples niveaux hiérarchiques est essentielle pour imiter ces structures pour les applications d'ingénierie. Cette thèse présente un ensemble de modèles théoriques et numériques à divers niveaux hiérarchiques structuraux afin de capturer les propriétés structurelles aux niveaux globaux d'un pétiole d'une plante. La méthode de modélisation est cadrée au sein d'un système mécanique à niveaux multiples, qui est essentiel pour toute structure composée de plusieurs ordres hiérarchiques d'organisation. Les propriétés structurelles à grande échelle, c.à.d. la raideur en flexion et en torsion, d'un pétiole d'une plante sont obtenues par la corrélation entre la construction de la paroi cellulaire, la microstructure des tissus, et la morphologie de la forme structurelle. La raideur de la paroi cellulaire est modélisée en utilisant la théorie des matériaux composites à renfort fibreux. La microarchitecture des constituants des tissus qui gouverne les propriétés du pétiole est modélisée avec un nouveau algorithme – La tessellation de Voronoi de centre à bord fini (FECVT) - qui est capable de fournir une visualisation réaliste du tissu. La raideur effective des constituants des tissus est obtenue par la méthode des éléments finis des modèles FECVT accouplée avec les propriétés de la paroi cellulaire. La forme du pétiole en coupe transversale au niveau structural ensemble avec les propriétés des tissus sont considérées afin de déterminer sa raideur en flexion et en torsion, qui sont également validés expérimentalement pour le pétiole de la rhubarbe. Ce modèle mécanique à échelles multiples éclaircira le rôle de chaque niveau de la hiérarchie structurelle pour déterminer la souplesse structurelle du pétiole. Une méthode de modélisation hiérarchique qui capture les propriétés structurelles globales d'un pétiole a été introduite dans cette thèse. Notamment, le modèle établit une relation entre les propriétés du micro et macro niveaux structuraux en utilisant un procédé mécanique adapté, à échelles multiples. Par conséquent, cette recherche peut combler le vide entre la biologie végétale et le génie afin de développer de nouveaux matériaux et des structures bio-inspirées. Cette recherche peut également aider à développer les connaissances fondamentales de la biomécanique cellulaire des plantes et son impact sur la mécanique macroscopique des tiges et des pétioles avec l'objectif final de transférer ces connaissances pour le traitement et la conception des structures et matériaux souples de génie.
Idioma: en