仿生非光滑表面材料与铝合金制件间的减黏

根据工程仿生学原理,用45^#钢和高速钢材料通过激光加工的方式制备出具有网格状结构表面的仿生非光滑试样,并与光滑表面试样在电子万能试验机上进行了脱附对比试验。结果表明,仿生非光滑表面试样的抗黏附性能明显优于光滑表面试样,其与制件间的黏附力比光滑表面降低4．7％～20．9％。观察发现,非光滑单元体的凹坑结构与制件接触界面间形成的空隙降低了试样与制件间的实际接触面积,是使仿生非光滑表面试样具有良好抗黏附性能的主要原因。仿生非光滑结构为提高材料表面的抗黏附性能开辟了一条新途径。     

仿生耦合功能表面应力-应变本构关系

采用试验优化设计方法对相同试验条件下凹坑形仿生光滑试样以及具有仿生耦合表面的非光滑试样进行了干摩擦磨损试验对比研究。在相同试验条件下,凹坑形仿生非光滑试样磨损率小于光滑试样,即前者耐磨性较高。在此基础上,作者进行了受压状态下试样表面应力的试验测试和ANSYS有限元计算分析,探讨了非光滑凹坑对试样表面应力-应变分布的影响。结果表明:在受力状态下,仿生非光滑凹坑改善了试样表面的应力分布,使非光滑试样表面凹坑间的区域局部应力明显小于光滑试样表面的应力,即产生了局部低应力区。本文初步提出了非光滑结构的力矩效应和应力缓释效应。     

仿生非光滑表面在混合润滑状态下的摩擦性能

模仿蚯蚓的非光滑表面形态及其分泌体表液的摩擦行为和作用,利用摩擦试验台对模拟蚯蚓体表形态的凹坑、导角通孔、通孔三种仿生非光滑表面形态进行了滴油混合润滑摩擦试验。试验结果表明,在混合润滑情况下,接近蚯蚓背孔的通孔形仿生非光滑表面结构具有优良的减阻、耐磨效应,并从非光滑形态对润滑状态影响规律及对摩擦界面材料特性影响规律探讨了仿生非光滑形态对摩擦性能的影响机理。     

模拟活塞缸套摩擦副的仿生非光滑表面的摩擦学研究

根据仿生学原理,利用铝合金活塞和铸铁汽缸套的材料设计了普通结构和几种仿生结构的摩擦副,并在摩擦磨损试验机上进行了对比试验。结果表明,在干摩擦时,非光滑结构与普通结构的摩擦副的摩擦性能差异不大。在沾油润滑条件下,仿生非光滑结构的摩擦副的抗黏着磨损性能明显优于普通结构。其原因是在有润滑条件时,仿生非光滑结构具有较强的贮存润滑油及形成油膜的能力。     

仿生齿轮抗接触疲劳性能的试验研究

为了提高传动齿轮的抗接触疲劳性能,依据生物耦合耐磨原理,模仿潮间带贝类体表设计了9种条纹状组织非光滑仿生表面形态和软硬相间结构,利用激光微区处理技术进行了仿生抗接触疲劳圆柱滚子试件的制备。利用仿生圆柱滚子试件对滚模拟了齿轮副的啮合传动,通过正交试验及其优化方法优选出适合的仿生表面制备工艺参数和形态分布参数,从而制备出具有良好环境适应性和实用性的仿生齿轮。经啮合传动试验表明,仿生齿轮的抗接触疲劳性能较普通齿轮提高20%以上,表面润滑条件改善、碎屑有效收集、散热面积增大、裂纹传播阻断等综合作用是仿生齿轮抗接触疲劳性能提高的主要原因。     

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。     

激光制备仿生非光滑表面蠕墨铸铁的耐磨性

模仿自然界中典型土壤动物的体表形态,运用激光加工的方法在蠕墨铸铁试样表面雕刻出不同形态、不同分布间距、不同倾斜角度的仿生非光滑单元体,研究了仿生非光滑表面试样的耐磨性,探讨了磨损机制。结果表明:仿生非光滑表面试样的耐磨性均优于未处理试样;非光滑单元体形态、分布间距、倾斜角度对试样的耐磨性均有影响;其中具有网格状非光滑单元体的试样耐磨性最好,条纹状次之,点状最差;单元体分布间距减小时,可进一步提高耐磨性;非光滑单元体倾斜角度为45°时,试样的耐磨性优于0°和90°;磨损机制以黏着磨损为主。     

仿生注射器针头减阻试验研究

根据蚊子等昆虫刺吸式口器的结构形态,采用激光雕刻与辊压成型等表面加工技术对普通注射器针头进行了仿生非光滑表面结构形态的加工。运用试验优化技术,找出了针头表面几何非光滑结构单元形态、结构单元深度、间距及直径(宽度)对注射时针头壁与皮肤间摩擦阻力的影响规律,分析了影响因素的主次和最优水平。结果表明,合理的仿生结构单元形态和分布可使仿生注射器针头减阻率达44.5%。该研究成果为仿生无痛注射器研究及其实际应用提供了理论基础。     

轴流风机仿生叶片降噪试验研究及机理分析

根据长耳鸮翼前缘非光滑形态降噪特性,设计了仿生前缘非光滑轴流风机叶片。试验研究表明:仿生非光滑叶片在50~2000 Hz的频段上噪声值明显小于原型风机叶片,最大降噪率为2.52%;影响仿生非光滑叶片降噪效果的主次因素为非光滑单元间距t、非光滑单元高度h和非光滑单元个数。计算机模拟分析表明,仿生前缘非光滑形态降噪机理主要为:减少翼型表面紊流附面层压力脉动并延缓翼型后部涡流分离脱落;有效减少气流流经前后翼型表面时翼型间扰流作用,起到良好的导流作用,使后翼型来流平稳,气流噪声降低。     

仿生非光滑表面机翼的气动性能数值模拟

根据仿生微小非光滑表面具有减黏降阻特性的特点,对NACA 2412翼型进行仿生改造,提出2种仿生机翼,即分别在机翼的上下表面布置相同数目、相同尺寸的非光滑矩形状条纹结构。基于Fluent软件,应用雷诺平均法分析原机翼模型和改造后2种仿生非光滑机翼模型在不同攻角下的气动性能。结果表明,在机翼下表面添加条纹结构改善机翼的气动性能,机翼上表面添加条纹结构破坏机翼的气动性能。     

鸮翼前缘非光滑形态消声降噪机理

长耳鸮扑翼噪声测量试验表明,其翼前缘圆弧齿状非光滑形态对其飞行降噪影响显著。应用逆向重构技术,对长耳鸮翼前缘非光滑形态特征几何信息进行量化,并建立仿生类比模型。采用计算气动声学方法,对仿生前缘非光滑模型的降噪特性进行了数值模拟,并通过分析仿生非光滑形态对模型表面流场的影响,对仿生非光滑形态气流噪声控制机理进行了研究。结果表明,仿生非光滑模型与光滑模型相比,可降低气流噪声5～10 dB,且具备一定的增升作用;仿生前缘非光滑形态具有整流及控制气流分离的特性,可减少由于翼表面气流压力脉动及涡流脱离引发的气流噪声。     

仿生非光滑用于旋成体减阻的试验研究

基于仿生非光滑表面具有减粘降阻特性的基本思想,通过仿生非光滑表面控制旋成体附壁区的边界层结构来减小旋成体的阻力。利用6因素3水平的正交试验,考察了对旋成体阻力影响较大的6个因素。对具有不同尺寸的凸包、凹坑以及棱纹等形态的非光滑旋成体及光滑旋成体进行了低、亚、超音速风洞试验,并将减阻率作为试验指标。对减阻率的分析表明,三种非光滑表面均能起到减小旋成体阻力的作用,总阻力最大减阻效果为5%左右。用极差法进行正交试验设计分析,得到了影响旋成体阻力因素的主次顺序及最优水平,并探讨了不同仿生表面对旋成体粘性前部阻力(包括表面摩擦阻力及激波阻力等)及底部阻力的不同影响。     

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%。     

仿生注射器针头减阻试验研究

根据蚊子等昆虫刺吸式口器的结构形态,采用激光雕刻与辊压成型等表面加工技术对普通注射器针头进行了仿生非光滑表面结构形态的加工。运用试验优化技术,找出了针头表面几何非光滑结构单元形态、结构单元深度、间距及直径（宽度）对注射时针头壁与皮肤间摩擦阻力的影响规律,分析了影响因素的主次和最优水平。结果表明,合理的仿生结构单元形态和分布可使仿生注射器针头减阻率达44．5％。该研究成果为仿生无痛注射器研究及其实际应用提供了理论基础。     

基于贝壳表面形貌仿生的船舶绿色防污研究

分析了船体表面海洋污损生物的附着规律,以贝壳为仿生对象,提出了基于贝壳表面微结构与反附着机理的船舶绿色仿生防污新技术的实现路线,采用二维功率谱分析法确定了贝壳表面的合适采样条件,基于二维双正交小波变换对贝壳表面形貌进行了分离,提出以舟形藻作为附着试验目标生物来探讨贝壳表面抗海洋污损生物的附着机理,对防污机理的验证方法进行了阐述。     

离心式水泵仿生非光滑增效的试验研究

基于仿生非光滑技术,通过改变离心式水泵中液体的流动结构降低固液界面的阻力,研究了水泵的增效问题。并设计了试验系统,采用L9(34)正交试验,以离心式水泵效率为试验指标,进行了离心式水泵的流量、扬程、电压和电流的测量。对比试验表明,在离心式水泵的有效工作流量范围内,某些仿生改形表面的模型具有十分明显的效果,效率提高最大为3.45%,最大增效率为6.81%。并优化出在两个流量段的主次因素和最优水平,为仿生非光滑技术在离心式水泵中应用的进一步研究提供了前期基础。     

基于CFD的仿生非光滑表面柴油机螺旋进气道对进气过程质量流率的影响分析

通过在柴油机螺旋进气道表面增加仿生非光滑单元体,运用catia软件和gambit软件进行模型建立及网格划分,应用fluent软件和动网格技术对柴油机工作时的瞬态进气过程进行CFD分析;对比分析得出仿生非光滑表面显著提高了进气过程中进气道内气体的流速和质量流率。