仿生表面减磨特性的数值模拟研究

为探究颗粒冲蚀作用下的仿生表面减磨特性,基于沙漠蝎表面抗蚀结构,确定凹槽、凸包和凹槽+凸包3种形式的仿生表面,采用数值模拟方法计算其磨损率分布规律,并分析仿生结构对流场和颗粒场的影响。结果表明:在颗粒入射角小于70°时,3种仿生表面均有减磨效果,其中凹槽结构减磨效果显著,但凹槽表面两侧磨损率略微增大,引入凸包结构后磨损率减小21%,凹槽+凸包表面在入射角为45°时达到最佳减磨效果,磨损率降低65.3%;凸包结构对流场影响有限,而凹槽结构内形成大尺度涡结构,对流场影响较大;各仿生表面的颗粒碰撞角度略微降低,其中凸包表面影响最大;颗粒碰撞速度均下降,降低幅度随颗粒入射角度增大而减小,其中凹槽+凸包表面影响最大;磨损率峰值从入射角30°改变至45°,两者颗粒碰撞角度均在35°左右,而45°下颗粒碰撞速度是30°下的1.4倍。     

封面图片说明

本期的封面图片出自论文"仿生表面减磨特性的数值模拟研究",是由东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室的司风琪教授、杨锟和董云山提供的。仿生减磨技术的研究中,沙漠蝎是最具代表性的研究对象之一。该文基于沙漠蝎表面抗蚀结构,采用数值模拟方法研究了不同颗粒入射角下凹槽、凸包和凹槽+凸包三种仿生表面的减磨特性。     

装载机铲斗粘附积土清除装置的设计

本文介绍了一种用于清除铲斗斗底粘附积土的装置,阐述了装置的结构和工作原理,运用速度瞬心法对机构进行了传力性能的评判,同时为保证执行元件推土板工作可靠,对其进行了力学分析和结构设计,并通过对其表面结构改进,提高了推土板的减粘降阻能力。     

波纹形典型土壤动物非光滑体表的演化建模及其计算机实现

本文根据典型土壤动物具有很强的减粘脱土功能的几何非光滑体表特征,在地面机械仿生学的研究成果的基础上,建立了三种波纹形土壤动物非光滑体表的数学描述式,利用演化计算给出了波纹形土壤动物非光滑体表的数学模型。并开发出波纹形土壤动物非光滑体表的演化建模软件。     

二维图形最狭长包络矩形的求解原理及方法

最狭长包络矩形是二维图形的一个潜在几何属性,可作为平面外形智能设计、板料优化排样及图像自动识别的重要依据.目前国内外尚无此课题的专门深入研究.提出了最狭长包络矩形的概念,将任意二维图形的最狭长包络矩形的求解转化为对其凸包的最狭长包络矩形的求解.明确给出了过凸包上给定4个顶点的包络矩形的包络角及长宽比求解公式,并通过分析包络角及长宽比求解公式之间的关系,证明了凸多边形至少存在一条边与其最狭长包络矩形的一条边共线.基于该定理,求解并比较与二维图形的凸包的n条边分别共线的n个包络矩形的长宽比,得到了二维图形的最狭长包络矩形.最后用实例验证了定理和求解方法的正确性和应用效率.     

钛及钛合金仿生表面改性研究进展

钛及钛合金具有较好的生物相容性及优良的机械性能，在临床上得到了越来越广泛的应用。表面生物活性化能够进一步改善其表面性能，提高表面生物活性。本文对钛及其合金的仿生表面改性进行了综述，具体介绍了化学法、促形核剂法、自组装单分子法的活化机理，并对仿生表面改性的发展方向进行了探讨。     

基于地面力学的月面巡视探测器动力学实时交互仿真研究

通过自主研发的探测器移动性能土槽试验台进行了驱动轮牵引性能测试,结合试验数据推导了基于滑转率的推土阻力修正模型。同时依据该模型及松软土壤下地面力学理论,在Visual C++9.0平台下利用Vortex API构建了月面巡视探测器动力学仿真系统。通过驱动轮--模拟月壤仿真结果与试验结果对比验证了其准确性,并在此基础上对月面巡视探测器整车进行了建模,应用键盘及鼠标操作实现了基于地面力学的实时交互仿真。     

仿生非光滑表面磨损机理的试验研究

为研究具有不同仿生非光滑表面特征试件的磨损机理,通过加工几种具有非光滑表面形态特征的圆形45#钢试件,利用正交试验方法设计耐磨性试验方案,在国产MM200型摩擦磨损试验机上进行试验.试验结果表明,在相同试验条件下,时间、负荷、速度、形态和分布对耐磨性均有影响,并且耐磨性按照凹坑、凸包、波纹、鳞片形态递减;通过分析磨损后非光滑形态表面的形貌及磨屑的图像,得出非光滑表面形态的磨损机理是磨料磨损,并且其磨损机制是微观切削.     

焊渣对镀锌汽车零件焊接缺陷的影响研究

目的研究白车身点焊过程中凸包缺陷产生的可能原因。方法利用电镜分析了缺陷的形状特征,用能谱分析其化学成分。在此基础上,用金相显微镜观察缺陷处的截面,发现与正常的金相结果比较,晶粒明显长大。结果观察到缺陷本身多呈现为灰褐色疤形,且与正常表面形貌完全不同,其化学成分主要为铁锰的氧化物,区别于正常的锌层表面。点焊过程中焊渣飞溅附着在零件表面上,其虽与零件基体连接并不紧密,却导致与之相接触的钢板基体中的铁素体晶粒尺寸变大,造成零件局部凸包变形。结论通过及时清除附着在零件表面的氧化物焊渣,优化焊接工艺,可有效减少凸包缺陷的产生。     

T8钢－聚有机硅氧烷仿生减粘降阻复合涂层的特性

研究了Ｔ８钢－聚有机硅氧烷仿生减粘降阻复合涂层的表面润湿性、磨料磨损特性及对土壤的减粘降阻性能与金属材料相比，仿生复合涂层的表面憎水性显著提高，水在其表面上的接触角达９２°；与４５钢相比，其磨料磨损的体积相对耐磨系数为６３％，降阻率达１５．２２％～２２．２７％     

基于犰狳外壳仿生的SiC-超高分子量聚乙烯柔性防护板的试验测试和有限元模拟

个体防护装甲的发展对提高单兵作战能力具有重要意义,基于仿生研究可以为设计高性能装甲提供新的思路。犰狳外壳由六边形鳞片紧密拼接而成,采用分层结构设计,具有很好的柔性和防护能力。本文借鉴犰狳外壳的几何排列模式,采用SiC陶瓷片模仿硬质壳层,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)热压板模仿软质壳层,按1∶1厚度比例设计制备仿生复合鳞片,将仿生鳞片紧密排列后封装制成一种新型柔性复合防弹插板。为了验证该种防弹插板的防弹性能并研究其破坏特征,进行弹道极限V0试验测试,结合有限元模拟分析其抗7.62 mm手枪弹侵彻的能力。结果表明:该柔性防弹插板不仅满足防弹性能要求,且具备较好的柔性,可为今后新型防弹插板的设计和优化提供参考。      

简谐激励下板壳结构加强筋仿生布局降噪方法

分析叶脉脉序形态的形成机理及构型规律,提取叶脉脉序生长的结构力学准则。以最小弹性应变能与抑制最大剪应力为主及次脉生长准则、以矢量平衡方程为脉序分歧准则建立具有叶脉分枝结构特征的板壳加强结构仿生设计模型。以降低谐振结构声辐射为目标,利用相似原理提出适合板壳结构加强筋布局设计的仿生脉序生长算法。并用典型薄板结构进行加强筋分布设计,验证板壳加强结构仿生布局方法在降噪中的可行性及有效性。     

转盘式多足仿生机器人的运动学分析及优化

为解决多足机器人控制系统复杂、加工装配困难的问题,设计了一种基于单自由度Jansen连杆机构的转盘式多足仿生机器人,并对其进行运动学分析和优化。首先,运用旋量理论对机器人的单条仿生机械腿进行自由度验证,并运用复数矢量法对仿生机械腿进行运动学求解,得到其足端运动轨迹方程及各关节的转动角度。然后,基于仿生机械腿足端的运动轨迹及其影响因素,分析了其优化方向。接着,提出了转盘式传动机构,并对仿生机械腿的转动关节和足端进行了优化,同时利用SolidWorks软件对转盘式多足仿生机器人的步态进行了时序分析。最后,制作了转盘式多足仿生机器人样机并分析了其在常规路况下的运动能力,验证了其可行性。结果表明,改变曲柄长度和机架水平倾角可优化多足仿生机器人的运动轨迹,使其更符合实际应用所需;转盘式传动机构与多条仿生机械腿的叠加,提升了机器人的环境适应性。研究结果为后续机器人系统的设计及工程应用提供了重要的理论依据。     

天然和仿生柔性生物结构的设计

自然界中生物材料表现出的力学性能与其结构设计形式紧密相关。柔性生物材料多为多级结构设计,其独特的功能梯度特征使其具备优异的变形能力及良好的断裂韧性。本文借鉴工程结构设计基本单元的思想提出柔性结构仿生元素理念,根据几何形态将结构仿生元素分为：线元素、梁元素、柱元素、板壳元素、薄膜元素及组合元素。根据系统论的观点建立仿生柔性结构设计体系,归纳总结出柔性仿生结构的设计准则,并基于鱼鳞梯度结构设计新型仿生功能梯度板。通过有限元的方法对功能梯度板归一化自然频率进行分析。结果表明,类鱼鳞功能梯度板具有柔韧性及刚度软化特性。阐述了仿生柔性结构的设计方法,包括模仿设计、组合设计及选择匹配设计。     

置换流水车间调度问题的萤火虫算法求解

作为新兴的仿生群智能优化算法,分析了萤火虫算法的仿生原理,对算法实现优化过程进行了定义。针对最小化最大完工时间的置换流水车间调度问题,采用基于ROV规则的随机键编码方式和互换操作的局部搜索策略,应用萤火虫算法进行求解。通过典型实例对算法进行了仿真测试,调度结果表明了萤火虫算法求解置换流水车间调度问题的可行性和有效性,优于NEH启发式算法和粒子群算法,是解决流水线生产调度问题的一种有效方法。     

面向产品设计领域的色彩仿生特征提取探析

从产品设计程序出发,以自然生物色彩的特点为启示,总结出2种不同形式的仿生色彩设计流程。针对生物原型色彩特征的提取,归纳出4种设计原则,即:主体色优选,辅助色适当忽略:色彩面积配置仿生;整体色彩仿生与局部色彩仿生并用;色彩反馈功能仿生。通过这些设计原则的应用,将为产品色彩设计领域开拓更广阔的色域空间。     

仿生非光滑表面45#钢模具的热疲劳性能

利用动物体表仿生学原理制备45#钢模具非光滑表面试样,通过自约束冷热疲劳试验方法,对比研究了光滑与非光滑试样的热疲劳特性,观察分析了热疲劳裂纹在仿生非光滑表面上扩展的形貌和内部机理.结果表明,非光滑单元体对热疲劳裂纹有阻断作用,仿生非光滑表面使模具的热疲劳抗力显著提高,模具表面的热疲劳性能在非光滑单元体的某一密度范围内达到最佳状态.在细晶强化、合金强化等强化机制下,由仿生非光滑单元体构筑的"桩钉"效应是导致模具抗热疲劳性提高的主要原因.     

大尺寸仿生微结构表面防污涂层制备及性能研究

鲨鱼、海豚等海洋生物的表皮结构具有防污功能,猪笼草的口缘区具有液膜单向传递特征,这些表面结构形貌可为船舶涂层的防污和减阻设计提供重要依据。根据鲨鱼皮表面肋条状结构、猪笼草口缘区单向沟槽和弧形结构,设计简化单向V型沟槽微结构形貌,并结合CFD模拟计算分析V型沟槽减阻性能,确定了仿生微结构的形貌及尺寸。利用皮秒激光刻蚀技术,在铝合金基材表面刻蚀微结构形貌模板,然后在未完全固化的防污涂层表面压印,通过对软/硬模板、固化时间、压印压强等工艺条件参数的考察及优化,制备出较大尺寸的仿生微结构表面涂层。使用三维形貌测试仪、接触角测试仪等表征仿生微结构涂层表面,并进行多海域实海浸泡性能实验。结果显示,该仿生涂层表面微沟槽间距为90.8 μm,深度为60.3 μm,其表面接触角为121.7°,微结构形貌均匀,具有良好的实海防污性能。