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。     

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。     

基于蝉口针形态的仿生针头结构优化设计及减阻机理分析

基于蝉上颚口针表面的非光滑结构形态,结合对蝉口针刺入机理的分析,设计出锯齿形仿生针头。采用二元二次回归正交组合试验优化设计方法,研究了锯齿宽度、锯齿间距这两个仿生结构参数对针头穿刺阻力的影响规律,求取了回归方程。得到最优仿生锯齿形针头的结构参数为:锯齿宽度0.3mm、锯齿间距2.5mm,减阻率为43.21%。锯齿形仿生针头通过减小接触面积、形成滚动轴承模型和产生微震的方式实现减阻效果,为无痛仿生针头的研制提供了依据。     

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。     

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。     

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。     

凸包型推土板减粘降阻的有限元分析

仿生几何非光滑表面的减粘降阻功效已被大量的试验研究所证实。由于几何非光滑结构单元的大小和分布对减粘降阻效果具有显著的影响，故对其与土壤相互作用的定量分析是必要的。本文对凸包型几何非光滑表面与土壤相互作用进行了三维有限元分析，并将其同光滑表面与土壤相互作用的有限元分析结果进行了比较，分析了减粘降阻的原因。     

凸包型推土板减粘降阻的有限元分析

仿生几何非光滑表面的减粘降阻功效已被大量的试验研究所证实。由于几何非光滑结构单元的大小和分布对减粘降阻效果具有显著的影响，故对其与土壤相互作用的定量分析是必要的。本文对凸包型几何非光滑表面与土壤相互作用进行了三维有限元分析，并将其同光滑表面与土壤相互作用的有限元分析结果进行了比较，分析了减粘降阻的原因。     

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%。     

仿生射流表面孔径与射流速度耦合减阻特性数值模拟

针对仿生射流表面流场问题,基于非光滑表面减阻的仿生学理论,对鲨鱼鳃裂部位射流特征进行分析研究,建立具有类似于鲨鱼腮裂部位射流特征的仿生射流表面模型及可拓模型.利用SST k-ω湍流模型对仿生射流表面模型进行数值模拟,在主流场速度为20 m/s时,分析了不同射流孔径与不同射流速度耦合情况对壁面摩擦阻力、压差阻力及减阻率的影响,并对仿生射流表面减阻机理进行分析.研究表明在射流孔为5 mm时与射流速度耦合情况下的平均减阻率最大,为11.566%,同时为仿生射流表面多因素耦合情况下的减阻特性研究奠定基础.     

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。