凹槽形仿生针头优化设计与减阻机理分析

以蚊子和蝉的口针为原形设计了凹槽形仿生针头,运用试验优化技术,通过显示动力学接触分析,证明凹槽形仿生针头具有明显减阻效果,最高减阻率可达40.94%;分析凹槽针头表面非光滑几何形态参数对注射时针头外壁所受摩擦力的影响规律,凹槽深度对摩擦力影响最大,宽度对摩擦力影响最小,凹槽深度和宽度与摩擦力呈抛物线关系,凹槽条数与摩擦力呈线性关系,随着凹槽条数增加,摩擦力减小;探讨仿生针头减阻机理,针头凹槽结构的存在可减小针头外壁与软组织的接触面积,使软组织与针头表面间存在间隙,产生空气膜,降低摩擦因数,另一方面,可使皮肤中的液体易于逸出,增加了润滑效果。依据国标,对数值分析所用的9种凹槽形仿生针头进行了穿刺试验,试验结果与数值分析结果一致。     

提升轮胎抗滑水性能的仿生方法

提高花纹沟排水能力是提升轮胎抗滑水性能的主要途径之一,借鉴仿生学理念,将凹坑形仿生非光滑结构引入花纹沟,探索研究通过降低花纹沟流体阻力提高花纹沟排水能力的仿生方法。以轮胎接地区单个花纹沟作为研究对象,在沟底布置凹坑形仿生非光滑结构,运用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)和正交试验设计相结合的方法,研究凹坑形仿生非光滑结构对壁面减阻率的影响规律,确定最优参数组合;为进一步提升凹坑形仿生非光滑结构的减阻率,提出一种水滴形凹坑仿生结构,并对其减阻特性进行分析,得出其减阻效果优于圆形凹坑结构;将最优的水滴形凹坑仿生结构布置于花纹沟底部,分析其抗滑水性能。结果表明,水滴形凹坑仿生结构能够减小水流阻力,提高轮胎花纹沟排水量,降低轮胎在水膜上行驶时所受到的胎面动水压力,提升轮胎的抗滑水性能。     

带有仿生凹槽结构的活塞裙部优化设计

以某型发动机为研究对象,受生物界土壤动物蚯蚓和凹槽形减阻机构减阻运动的启发,将具有减阻耐磨性能的凹槽形态加工在发动机中的主要摩擦副气缸活塞裙部。根据标准活塞受力分布带情况,考虑到活塞受力的不均匀情况,设计了变槽深、宽和孔径的仿生结构,并将其加工在活塞裙部表面。运用正交试验方法制定了9种试验方案,理论研究算出每个试验中加载的边界载荷条件,进行有限元分析,得出可以考察活塞裙部减阻耐磨性能的三个目标变量:最大变形、最大应力、最大载荷。应用综合平衡分析法对试验指标进行优化设计,最终得出主次因素排序为:A孔槽分布类型、B凹槽深度、C凹槽宽度,最优水平为A3B1C3。     

泥浆泵凹槽形仿生活塞寿命试验及耐磨机理分析

为提高泥浆泵活塞使用寿命,模仿自然界生物体表形态,在现有泥浆泵活塞工作表面加工不同尺寸的凹槽形仿生单元体,在相同的试验条件下,对比研究泥浆泵仿生活塞与标准活塞的使用寿命。试验结果表明,合理的凹槽形仿生单元体设计可以明显提高活塞使用寿命,本研究中最大可提高BW-160型泥浆泵活塞寿命69.52%;仿生活塞使用寿命受凹槽宽度的影响大于凹槽间距的影响;凹槽形仿生单元体尺寸过小,活塞寿命提高不明显,凹槽形仿生单元体尺寸过大,反而降低活塞寿命。分析了仿生活塞耐磨机理,即凹槽形仿生单元体的存在,能优化活塞表面受力情况,增大储油空间,改善泥浆泵活塞缸套系统界面润滑条件,是提高泥浆泵活塞使用寿命的重要原因。     

波纹形仿生疏浚绞刀刀齿的减粘减阻研究

土壤对水下作业的疏浚绞刀的粘附是影响其工作效率的主要原因,而土壤动物的非光滑表面为疏浚绞刀的减粘减阻仿生设计提供了参考。针对河蚌表面进行研究,应用相似原理设计出4种波纹形仿生疏浚绞刀刀齿,并进行离散元仿真。仿真结果表明,在波纹参数设计合理的条件下,河蚌非光滑波纹表面具有减粘减阻效果,为波纹形仿生疏浚绞刀刀齿参数优化设计奠定了基础。     

仿鱼鳞的减阻表面设计

基于对鱼鳞减阻原理的分析,讨论了不同鱼类表面的牺牲性粘液减阻、表面切向流减阻两种原理;提出了针对不同粘度介质中的运动物体,应采用相应的减阻表面设计;分析了鱼鳞的结构布置与几何曲线,提出了模仿鱼鳞原理与结构进行减阻表面仿生设计的方法,这对在水和其它流体中运动的机械表面减阻设计具有指导意义。     

小型水下巡航机器人表面减阻仿生设计

为提高小型水下巡航机器人作业过程中的行进效率，基于仿生设计方法进行表面减阻设计。利用边缘提取算法和GetData软件对灰鲭鲨鱼鳞片形态与结构进行特征分析和数据提取；运用Shapr 3D和Rhino软件构建了鳞片三维模型和仿生非光滑结构表面，通过Fluent软件进行流体仿真分析，对比不同流速下的剪切应力。结果表明：当来流速度大于6 m/s时，非光滑表面剪切应力小于光滑表面剪切应力，流速为8 m/s时减阻率最高可达2.9%。仿生灰鲭鲨鱼鳞片非光滑表面模型在一定范围的来流速度下具有较好的减阻效果，但减阻率会随来流速度的增加先增后减，在特定流速下，减阻效果最佳。     

浅谈减阻耐磨仿生结构研究的发展

减阻耐磨结构和仿生学在新型功能工具及设备的开发和利用上有着广泛的应用前景,能使产品和系统不断满足人类的生产和生活需求,更高效地为人们所利用。现简要描述了减阻耐磨仿生结构研究的相关背景和意义,介绍了仿生学结合减阻耐磨结构在工程方面的应用,并对减阻耐磨仿生结构的发展前景进行了分析。     

凹坑形仿生刀齿土壤切削力分析

土壤对疏浚机具的粘附会增加切削阻力、降低切削效率。土壤动物的非光滑表面为疏浚机具的仿生设计提供了参考。非光滑表面切削土壤具有减阻的作用,针对凹坑形非光滑表面的刀齿切削土壤的的受力情况进行理论分析,建立了其土壤切削模型。利用软件Fluent进行了凹坑形光滑表面刀齿在土壤切削过程中的力学分析,结果表明:在一定的土壤条件下,与光滑表面刀齿相比,非光滑凹坑形刀齿粘附对土壤粘附力较小,受到的切削阻力也较小。理论分析和与数值模拟均验证了非光滑凹坑形仿生刀齿能够起到预期的减粘减阻的效果。     

仿生非光滑油缸密封圈的减阻特性研究

针对油缸密封圈密封性能和摩擦阻力相互制约的问题,提出了仿生非光滑表面减阻技术的方法。以油缸密封圈为研究对象,研究不同活塞速度和仿生凹坑直径与减阻特性的相互关系。仿真结果表明:当压缩率为20%时,仿生非光滑密封圈产生的有效压应力满足了油缸密封圈密封性能;在活塞速度一定且凹坑直径为1.5 mm时减阻率达到最大;在凹坑直径一定时减阻率随着初始速度的增大而不断变大,速度为0.6 m/s时具有较好的减阻效果。