棕榈叶鞘纤维是一种广泛分布于自然界中的天然材料,同时也是具有明显多尺度结构的生物复合材料,由于其绿色环保和可持续性特征,其力学性能吸引了众多科学家的关注。本文以棕榈叶鞘纤维作为研究对象,建立解析模型与有限元模型,研究棕榈叶鞘纤维弹性力学特征。棕榈叶鞘纤维可以看作是以具有空腔的细长单纤维作为增强相,单纤维间的胞间物质为基体的复合材料。本文测量了棕榈叶鞘纤维不同尺度的性能特征,包括棕榈叶鞘纤维、单纤维、单纤维细胞壁,运用解析模型与有限元模型模拟棕榈叶鞘纤维和毛竹维管束在弹性应变下的应力应变弹性行为特征,并探讨各组成单元的作用以及对其性能的贡献。由于毛竹维管束与棕榈纤维鞘具有相似结构,且关于其结构及不同层次的力学性能已有较为丰富的研究基础,本文引用其他研究者的成果中的毛竹性能参数,建立模型,与棕榈叶鞘纤维进行对比研究,以便更深入研究具有这种结构的材料的弹性力学行为。得出以下的主要结论:(1)对棕榈叶鞘纤维进行拉伸测试,结果显示,其模量在1.1-1.7GPa之间,拉伸断裂强度在130-160MPa之间,表现出明显弹塑性特征,且屈服较早。XRD测试分析获得棕榈叶鞘纤维结晶度为34.13%。结合30%过氧化氢+冰醋酸离析液、机械分离与超声波,采用不同方式分离出棕榈单纤维,并进行拉伸测试。棕榈单纤维细胞壁侧面观察到与毛竹单纤维相似的不均匀分布的圆形纹孔,单纤维平均长度为761.38μm,平均直径为6.57μm。对比不同单纤维分离条件对单纤维机械性能的影响,离析液处理6h+机械分离的方法对单纤维损伤最小,该方法所得单纤维模量范围为970-1900MPa,平均模量为1.43GPa,强度范围为170-510MPa,平均强度为337MPa。使用原子力显微镜Paek Force QNM模式测量了棕榈单纤维细胞壁模量,原子力显微镜测量所得棕榈细胞壁平均模量为6058MPa。(2)建立有限元模型,研究了棕榈叶鞘纤维与毛竹维管束弹性形变下的应力分布情况。建立的有限元代表体元模型为六棱柱状,相对于四棱柱能增加了单纤维体积含量的上限。棕榈叶鞘纤维与毛竹维管束实心模型的预测结果较为接近实验测试结果,其值分别为1198.94MPa与23222.88MPa,预测值相对于测试结果误差仅为2.4%与4.4%。当棕榈叶鞘纤维与毛竹维管束单纤维的缺陷参数分别为0.571和0.904时,空心模型预测模量与实验测试结果相等,说明单纤维缺陷对复合材料的模量有一定影响,且对棕榈叶鞘纤维的影响较毛竹维管束更大。由于毛竹维管束单纤维细胞壁较厚,其模型的细胞壁上能清晰地观察到细胞壁上横向应力分布规律,即越靠近细胞壁边缘,应力越大。单纤维细胞壁模量对基体应力分布有一定影响,模量越大,基体应力在单纤维头端处越集中。但纤维主体沿纵向方向整体分布均匀,头端处应力是否集中与单纤维整体模量有关。在有限元模型中引入界面相,结果表明,界面对材料模量的影响仍符合混合律。(3)结合基于二维复合材料结构的BOWYER-BADER方程,建立基于三维结构的复合材料解析模型,以预测棕榈叶鞘纤维与毛竹维管束的弹性模量,结果显示,二维模型对中空纤维增强复合材料模量的预测结果并不理想,改进后的三维实心模型预测模量较测试结果误差分别为9.3%与5.89%,而当η值分别为0.556与0.860时,三维空心解析模型预测模量值与实验值相等,单纤维缺陷对复合材料的模量有一定影响,且对棕榈叶鞘纤维的影响较大。(4)利用有限元模型与解析模型分析了单纤维模量,细胞壁模量,细胞壁厚度,单纤维长度等对棕榈叶鞘纤维与毛竹维管束预测模量的影响。结果显示:棕榈叶鞘纤维与毛竹维管束的实心与空心模型预测模量分别随着单纤维模量,单纤维细胞壁模量增长;三维空心模型预测模量随着细胞壁厚度增大,空腔比例减少,预测模量增大,且增长率逐渐变小;预测模量与单纤维体积含量的关系与单纤维整体模量大小密切相关,当单纤维整体模量大于基体,则预测模量随单纤维体积含量增大而增大;解析模型分析结果显示,当单纤维长径比大于20时,解析模型预测弹性模量的影响较小。