食品仿生学的发展概况

简述了食品仿生学的基本含义及其在食品工业中的意义，介绍了一些常见的的仿生食品，同时探讨了仿生食品未来的发展前景。     

蜘蛛生物液压驱动原理及其功能仿生探索

针对蜘蛛生物液压驱动原理的研究进行了综述,对蜘蛛步足液压原理进行了分析,尝试建立生物液压与工程液压难题的联系。首先,以海南捕鱼蜘蛛作为研究对象,通过电镜扫描、组织切片、Micro-CT等多种观测扫描实验得到其内流道模型,并基于该模型使用CFD软件对流动机理进行了研究。然后,根据CFD后处理得到的血淋巴流动轨迹,设计了一种仿生液压系统,为工程液压系统的设计提供一种新的思路。最后,针对蜘蛛步足的液压系统进行了功能仿生探索,设计了一种仿蜘蛛一体化双向运动关节,解决了现有仿蜘蛛关节不能实现驱动一体化、驱动精度得不到保证的问题,并高度再现了蜘蛛的生物驱动过程。     

生物耦元及其耦联方式

生物耦元是对生物功能作出贡献的各种因素,是构成生物耦合的基本单元。不同耦元遵循不同耦联方式联合起来有效地实现生物的各种功能,耦元和耦联方式的多样性,必然展现生物耦合功能的多样性与复杂性。本文从仿生学角度分析了生物耦元的特性、类别及其主元与次主元的辨识,揭示了生物耦元的耦联方式,最后简述了生物耦元、耦联和生物耦合之间的关系。     

基于典型鸟类翅膀特征的小型轴流风机叶片仿生设计与试验

基于提取的雀鹰、长耳鸮翅膀的表面特征对小型轴流风机的叶片进行仿生优化,以求提高风机的气动性能。设计出8种仿生风机模型,通过CFD计算选出最优的仿生风机模型进行性能试验验证,并与原型风机进行了对比。对比试验流量-静压曲线发现,仿生风机气动性能明显好于原型风机,最大质量流量提高了6.1%,最大静压提高了7.0%,并发现V型截面好于圆弧型截面。本研究为叶片仿生参数的进一步优化提供了前期基础。     

基于形态仿生的轿车升阻特性的数值模拟

受鱼类利用中央鳍/对鳍对流体介质产生扰动来增加运动稳定性的启发,本文在轿车尾部增加功能类似中央鳍/对鳍的扰流板,称之为方案一;针对其阻力增加,在方案一的基础上,在车后窗及汽车后备箱表面添加棱纹形态仿生功能表面,称之为方案二。利用数值模拟方法,对上述两种方案及原车模型在高速行驶状况下进行仿真分析,结果表明:方案一升力系数由原车的-0.06455降为-0.1516,后轮附着力增加,提高了轿车的操纵稳定性;方案二较好地梳理了尾部气流,延迟了气流的分离,与方案一比较,减阻率达到4.938%。     

仿生非光滑注射器针头注射过程接触有限元模拟

应用接触非线性有限元方法对普通针头及两种分别具有锯齿形和波纹形仿生非光滑表面针头的注射过程进行了数值模拟,求得了软组织在该过程中应力、速度、动能和内能的变化时间历程,直观描述了非光滑表面对针头在注射这一动态过程中的影响。通过三种针头的对比和分析表明,仿生非光滑针头具有减阻和减痛效果,并且具有波纹形非光滑表面的针头效果更加明显,与试验研究结果吻合。     

仿生表面形态齿轮的模态分析

在Pro/E中建立了高精度的参数化渐开线直齿圆柱齿轮模型,以工程仿生学和有限元理论为基础,运用MSC.Nastran分析了仿生表面形态齿轮的动力学性能。通过对普通齿轮和仿生表面形态齿轮进行模态分析,分别计算出了其前10阶固有频率和振型。结果表明,与普通齿轮相比,仿生表面形态齿轮各阶最大振幅更小,其固有频率明显降低,且趋势更为平稳,有效地改善了齿轮的动态特性,提高了齿轮的可靠性。     

基于新月鱼尾推进理论的多连杆鱼骨仿生设计

基于新月鱼尾推进相关理论,设计了一种新型的符合身体/尾鳍推进模式的仿生多连杆鱼骨。通过对新月鱼尾推进相关理论的分析,确定了影响鱼体推进的主要设计参数,即躯椎摆角、尾椎摆角及尾鳍摆角。以金枪鱼中体型较小的鲣鱼作为仿生原型,通过逆向工程技术,对其体厚方向轮廓进行曲线拟合并得到其拟合函数。将拟合函数作为鱼骨结构设计边界条件,结合设计参数,通过逆运动学原理设计了躯椎、尾椎、尾鳍、躯椎驱动、尾椎驱动、尾鳍驱动6部分连杆系统。利用仿真软件ADAMS对该机构可行性进行仿真试验,并进行了实物样机试验。试验结果表明:该多连杆鱼骨结构可以实现仿生鱼推进。     

形态/柔性材料二元仿生耦合增效减阻功能表面的设计与试验

通过研究水生生物在流体介质运动中,皮肤可随着流体载荷的变化而发生动态变化,并与皮下组织特有的非光滑结构形成动态耦合,形成具有特定功能的表面的现象,并依据仿生学相似原理,提出一种形态/柔性材料二元耦合功能表面设计的新思想,称之为仿生耦合功能表面(BCFS),该功能表面由不同属性的双层材料构成,利用面层材料的弹性变形以及面层材料与基底材料表面上仿生非光滑结构的耦合,对流体进行主动控制,实现增效减阻功能。探索了将这种仿生耦合功能表面(BCFS)在典型流体机械-泵上面的实现方法,并以效率为目标,进行了仿生耦合功能表面增效减阻功能的试验,试验结果表明,采用这种耦合功能表面的仿生耦合水泵,效率提高了5%以上。     

基于人体嗅觉特征的猪肉新鲜度仿生电子鼻检测技术

借鉴成人鼻腔的特殊结构及其嗅觉原理设计出具有仿生意义的气体室。根据猪肉产生的气味和传感器实验,合理选择气敏传感器。采用支持向量机(SVM)作为模式识别方法。经理化试验证明系统检测猪肉新鲜度准确率达96.45%,结果表明设计的仿生电子鼻系统检测猪肉新鲜度是可行的。     

多孔仿生射流表面减阻特性数值模拟

利用RNGk-ε湍流模型对流体在多孔仿生射流表面上的流动特性进行了数值模拟。结果表明:减阻率和流速比呈线性关系,流速比越大减阻效果越好,最大减阻率为59.02%;单孔射流表面中心线上的摩擦阻力系数先减小后增大,局部减阻率最大为111.8%;射流孔越多,减阻效果越好。探讨了仿生射流表面减阻机理:射流通过改变其表面附近的流场结构,使得边界层黏性底层的厚度增加,垂直于壁面的法向速度梯度减小,达到了显著的减阻效果;同时产生稳定的流向涡结构,并在壁面处形成小的二次涡,抑制了流体间的动量交换,减小了摩擦阻力。     

仿生非光滑旋成体表面减阻特性数值模拟

在前期进行的仿生非光滑旋成体模型低速风洞试验的基础上,将非光滑形态在旋成体模型上的排列方式固定为矩形布置,非光滑的尺寸固定为直径或宽度为1 mm,深度或高度为0.5 mm,在风速为44 m/s时,对布置在模型尾部的凸包形、凹坑形和棱纹形三种非光滑模型与表面光滑模型进行了对比模拟试验。试验结果表明,布置在尾部的非光滑结构能够有效地降低模型的压差阻力,尤其是棱纹状非光滑形态模型,压差阻力降低了25.3%,总阻力降低了11.12%。     

仿生功能表面内流减阻测试系统的研制

为测量与研究仿生功能表面在内流管道中的减阻性能,设计了基于压差测试原理的测试系统。针对内流流动的特点,设计的试验段可拆装并能够安装不同厚度的试样做为流场壁面。设计了基于PLC(可编程序控制器)的数据采集处理与控制系统,并对系统精度进行分析,得出了各流速点对应的均方差极限。利用该系统对弹性表面和弹性导热仿生表面减阻进行了测试与研究,结果表明该系统能够对内流流动中的各种仿生功能表面减阻性能进行测试并具有较高的精度。     

Cu-Zn合金仿生耦合表面的疏水性能

采用模板法对Cu-Zn合金形态、结构、成分耦合表面仿生制备工艺及其疏水性能进行了研究。模板去除后,表面形成了相间密布的纳米级纯Cu突起及球形洞穴。研究表明:形态、结构、成分的仿生耦合可以使Cu-Zn合金表面由亲水转变为疏水,随着深径比ξ的增加以及水滴下固体面积分数Φs的减少,实际接触角从82.5°增加到了126.1°,实际接触角的变化服从Cassis-Baxter模型。     

沟槽非光滑表面流场的数值分析

利用有限体积法对三角形仿生非光滑沟槽表面流场进行了数值计算。近壁面区采用B-L两层模型,外区采用雷诺应力模型。分析了沟槽表面的流场特性,对计算域中心Z=3 mm平面的速度场和湍流统计量进行了研究。顶点间距s+≈20,h+≈17.3的沟槽减阻率为5.2%;s+≈40,h+≈34.6的沟槽增阻率为12.3%。从速度场、剪应力及湍流统计三方面对沟槽表面减阻、增阻机理进行了分析讨论。与风洞和油槽实验数据定性对比的结果表明,理论计算与实验结果一致。     

仿生表面形态对齿轮动力学性能的影响

为了实现齿轮的参数化建模,在Pro/e中建立渐开线直齿圆柱齿轮轮齿模型,以工程仿生学和有限元理论为基础,运用MSC.Nastran对普通齿轮和仿生表面形态齿轮进行了瞬态频率响应分析,并通过激光雕刻技术将仿生表面形态加工在齿面上,进行实际的台架试验.试验和有限元模拟结果表明:在相同的内部激励作用下,普通齿轮和仿生表面形态齿轮的响应情况不同,其中仿生表面形态齿轮的形变量最小,可以有效地改善齿轮的动力学特性,提高齿轮的可靠性.     

通孔形结构仿生试件的耐磨特性试验

基于蚯蚓体表背孔及机体耐磨特性,设计了通孔试件和普通平板试件,进行了摩擦磨损特性对比试验。试验结果表明,具有通孔结构的仿生试件有明显的耐磨效果,在润滑条件下有显著的减阻效应。结合磨损形貌、润滑状态及摩擦过程三维有限元模拟,分析了通孔结构对摩擦界面接触、润滑等摩擦因素的直接影响和对试件耐磨性的多因素耦合作用机理,为摩擦副耐磨技术的开发提供了理论基础。     

河鲀背部形貌曲面拟合及数学建模

为研究洄游鱼类河鲀的减阻机理,构建了河鲀背部曲面的几何模型和数学模型及其转换关系。利用三维扫描和NURBS曲面建模技术,获得河鲀的整体几何模型。构造出河鲀背部纵向中间面的轮廓曲线及其曲率拐点,截取相应的横向轮廓线进行曲率半径拐点分析,依此将河鲀背部曲面划分成主区和侧区两部分。经曲面拟合、建模、合并和光顺等操作,获得精确的河鲀背部曲面的数学和几何模型,主、侧区曲面评估判定系数R~2分别为0.985和0.843。结果表明:特征化分区显著提高了河鲀背部曲面的数学建模精度,且点云数据asc文件简化了曲面拟合流程。     

仿生多孔材料吸声性能

以典型的多孔吸声材料——聚氨酯为基材,基于鸮皮肤和覆羽的多层次组织结构与形态特征设计出梯形棱纹表面、背衬空腔的单元仿生模型及梯形棱纹表面且背衬空腔的二元仿生耦合模型。参考阻抗管中吸声系数的传递函数测量法标准GBT_18696.2-2002,采用有限元法分析了不同结构聚氨酯多孔材料的吸声性能。结果表明:所有仿生模型均具有良好的吸声性能,其中,梯形棱纹表面能有效提高多孔材料中的高频吸声性能,背衬空腔能有效提高多孔材料的低频吸声性能,仿生耦合模型能够有效提高多孔材料整个频段内的吸声性能。