基于蜻蜓翅脉结构的连续碳纤维增强树脂基复合材料仿生设计与增材制造

以具有轻质高强优异性能的蜻蜓翅脉结构为设计灵感，在分析翅脉网格结构抗冲击原理的基础上，设计了传统和仿生两类对比结构。采用熔融挤出3D打印机成功制备了具有不同结构的连续碳纤维增强聚乳酸复合材料试样，并对不同结构复合材料试样的拉伸性能和抗冲击性能进行了测试和对比分析。研究分析结果表明：由于拉伸力方向上的连续碳纤维含量相对较少，限制了仿生结构复合材料抗拉强度的提高，但仿生结构的平均抗拉强度为传统结构的1.18倍；当仿生结构复合材料试样受到冲击力时，其内部六边形结构的连接角度会发生变化，从而极大消耗冲击能量，同时具有六边形网格结构的连续碳纤维可以有效阻碍裂纹的扩展，因此仿生结构的平均冲击韧性可以达到传统结构的2.46倍；仿生蜻蜓翅脉结构可以显著提高增材制造复合材料的综合力学性能，且对于抗冲击性能的提高具体突出效果。连续碳纤维增强树脂基复合材料的有效可行的仿生蜻蜓翅脉结构设计和增材制造，可极大扩展其在高冲击载荷领域中的相应应用。     

轨腰仿生自分层防腐梯度涂料合成及影响因素和结构探究

目的仿荷藕结构及功能,制备一种自分层防腐涂料。方法合成聚氨酯改性环氧树脂(PU/EP)及氟硅改性丙烯酸树脂(氟硅改性PAA),将两种树脂共混形成自分层涂料。通过铅笔硬度测试、机械性能测试、接触角测试、耐老化测试、划格法附着力测试、电化学阻抗测试等,分别评价两种树脂比例、混合溶剂比例对涂膜自分层行为及性能的影响,并通过SEM-EDS、红外光谱等表征技术分析涂膜分层后的结构。结果当PU/EP∶氟硅改性PAA=1∶1时,接触角达到96.0°,柔韧性为0.5 mm,耐冲击为50 cm,附着力等级为1,失光率降至19%;乙酸丁酯(NBAC)∶正丁醇(NBA)=4∶6时,涂膜分层情况良好,接触角达到107.7°,浸泡水中48 h耐水性无变化,失光率降至17%。SEM-EDS、红外光谱分析表明,自分层涂膜上层为氟硅改性PAA、底层为PU/EP,中间存在过渡涂层,过渡层两种树脂中的─COOH、─OH、环氧基发生反应,使整个涂层更具稳定性。经由EIS分析,在3.5%NaCl溶液中浸泡40天后,腐蚀介质没有渗透涂膜到达基底金属界面。结论制备的轨腰仿生自分层涂膜的机械性能、附着力、疏水性、耐老化、防腐蚀性能优异,涂膜结构稳定。     

刮板输送机中板仿生耐磨优化试验研究

刮板输送机中板磨损失效已成为输送机运行故障的主要原因之一，为了提高中板耐磨性，基于蜣螂非光滑单元进行了仿生中板设计，以磨损量为响应值，进行了单因素和响应面法优化试验。根据响应面法试验结果得到的因素显著性影响顺序（从高至低）依次为：径向距离，深径比，直径，节距角。基于试验结果建立了磨损量与因素的回归预测模型，经试验对比发现，预测模型与真实试验的相对误差为3.2%。在特定工况（煤散料粒度为6~8 mm、载荷为20 N、刮板链速为0.65 m/s及试验时长为6 600 s）下，当深径比为1.41、直径为0.69 mm、节距角为6.55°和径向距离为4.66 mm时，磨损量最小，仿生中板的耐磨性提高了12.6%。分析其耐磨机理发现，与光滑板相比，仿生板的磨粒磨损及黏着磨损较轻。凹坑分布可破坏持续切削中板表面的煤粒运动状态。中板的仿生优化可为今后刮板输送机的设计提供一定参考。     

小型无人机气动肌腱式弹射系统动态仿真与优化

针对冲击气缸式无人机弹射系统耗气量高、质量大、动态特性差等弊端，提出了一种仿生气动肌腱式无人机弹射系统，利用气动肌腱的弱非线性，通过配置楔角以改善无人机加速阶段的受力情况，减缓加速度波动。对该弹射系统进行数学建模和动力学分析，并搭建Simulink模型对该系统进行仿真求解；通过MATLAB与Simulink对现有加速轨道通过多目标遗传算法实现进一步优化。优化后的加速轨道能提升加速度均值、气动肌腱能量利用率和起飞速度，且降低了加速度峰值，加速度波动在原有基础上降低了76.79%。仿真和优化结果表明，提出的气动肌腱式无人机弹射系统不仅避免了冲击气缸式弹射系统的缺点，还能进一步平缓加速度，减小整体系统的最大过载。     

硬质合金激光改性协同仿生微织构对硼掺杂金刚石涂层性能的影响

目的 研制应用于超精密加工领域的高性能金刚石涂层,探究硬质合金基体表面激光微织构对硼掺杂金刚石(BDD)涂层沉积质量的影响,分析不同类型的仿生微织构对基–膜结合强度、工具切削性能的改善效果及原因。方法 在硬质合金表面使用激光脉冲制备不同类型的仿生微织构,并通过热丝化学气相沉积(HFCVD)法在刀具表面沉积BDD涂层。采用数显洛氏硬度计(HRS-150)、超景深三维显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、白光干涉表面轮廓仪、拉曼光谱(Raman)对样品进行表征。通过压痕试验及铣削试验研究涂层的附着强度和刀具的切削性能。结果 激光微织构边缘发生表面硬化。激光微织构区域沉积BDD涂层后,基体表面缺陷显著降低,织构内部金刚石晶粒更密集,沉积质量提升,三角织构(TT)边缘的金刚石颗粒堆积坡度最缓,不同类型的织构化BDD涂层的粗糙度、金刚石纯度、切削性能及附着强度均不同,涂层附着力与表面硬度呈正相关。硼掺杂三角织构(BDTTD)涂层刀具具有最佳的切削性能。结论 织构边缘和内部具有更高的金刚石二次成核率和沉积质量。织构的存在可以提升BDD涂层的附着强度和刀具性能,并且织构边缘的涂层附着力最强,这些得益于激光烧蚀及仿生微织构对硬质合金表面的硬化及对BDD涂层内在缺陷的修复。     

基于飞秒激光和自组装技术提高树脂涂层疏水性的工艺

目的 针对超疏水涂料功能持久性差的问题,提出一种将飞秒激光加工技术与微球近场效应原理相结合在氟化有机硅树脂表面制备微纳米仿生结构的解决方案。方法 模仿蝴蝶翅膀鳞片微结构特征,以平滑的氟化有机硅树脂表面为基体,采用纳米自组装技术在其表面生长一层二氧化硅微球薄膜,然后设置飞秒激光器的参数,利用激光脉冲能量加工单层二氧化硅微球薄膜,二氧化硅微球颗粒对激光能量有进一步的聚焦加强作用,可以加工微纳米尺寸的结构。重点研究激光功率和扫描速度等参量对氟硅树脂图案形貌及疏水性的影响,并对比分析超疏水涂料和仿生微纳米表面的疏水功能持久性。结果 激光扫描速度和功率参量对仿生表面疏水性能的影响较大,在激光功率为9 mW、扫描速度为10 mm/s、加工间距为10μm时可以获得最佳疏水性能,其接触角达到150°以上,通过常用的摩擦磨损测试实验,对比分析实验结果发现,氟硅树脂层经历200～1000次摩擦后,其接触角（CA）的下降幅度低于传统涂料组,说明具有仿生纳米坑结构的表面的耐磨性更强。结论 利用飞秒激光加工的纳米微孔阵列结构可以明显提高氟硅树脂的疏水特性,并具有优异的持久性。     

基于仿生水母机器人的机械臂设计与仿真分析

为满足海洋探索及水下侦察的任务需求,设计一种多自由度仿生水母机器人。在Matlab 分析软件中利用 Robotic Toolbox 建立水母机械臂模型,进行运动仿真,分析其运动学和动力学,得出角速度、角加速度等曲线。依 据反推出的力矩曲线,对导入到Adams 中的3 维模型进行驱动仿真,采用Jtraj 函数对四自由度仿生水母机器人的机 械臂进行5 次多项式轨迹规划,并构建一个简单的BP 神经网络控制算法。仿真结果表明：各运动曲线连续、平缓 无突变,可满足实际需求。     

仿生粒子群算法在电力系统无功优化中的应用

本文在标准粒子群算法的基础上,遵循群体寻优的生物特性,提出了仿生粒子群算法。初期将群体动态地分成多个子群,每个子群相对独立地向一个目标进化,子群的成员随着进化过程不断地更迭。后期增加子群间的信息交流,使算法更快收敛。该算法不仅丰富了种群的多样性,避免过早收敛于局部最优解,而且有较快的收敛速度。文中将该算法应用于电力系统无功优化中并与标准粒子群算法进行了比较,通过对IEEE30节点和IEEE118节点的算例仿真,证明了该算法的可行性和有效性。     

PVA/HA复合双层水凝胶的制备及性能研究

以聚乙烯醇(PVA)、羟基磷灰石(HA)为原料,利用铸造干燥法与冷冻解冻法制备双层仿生软骨,并进行力学性能测试。结果表明:PVA/HA复合双层水凝胶力学性能优于PVA/HA复合水凝胶。利用铸造干燥法,PVA与HA间的交联结合将更加完善,力学性能得到提升。最优的PVA/HA复合双层水凝胶是采用铸造干燥法用PVA浓度为12%的溶液所制备出的双层水凝胶,其压缩弹性模量为(1.29±0.025)MPa,900s时应力松弛达到(60.14±0.64)%,最大形变和永久形变为(246.3±3.05)μm和(69.8±2.96)μm。     

基于多元仿生的快速响应设计研究

为提高生物知识在产品创新设计中的利用效率,特别是对产品快速响应设计的支持,提出了一种面向系统功能实现的多元仿生设计方法.该方法以多生物效应为核心工具,配合生物系统建模方法、生物原型的技术转化方法,结合新的产品功能建模技术,能够快速地将生物原型转化成为满足市场新需求的产品技术系统,与现有技术特别是与传统仿生设计相比得以显著改良.最后利用上述理论以新型假山石制造设备的开发设计为例验证其实用性价值.