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。     

柔性与形态耦合仿生抗冲蚀三维数值模拟

利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,分别对4种具有不同表面形态(光滑、凹坑形、柔性与光滑耦合、柔性与凹坑耦合)的试件的耐冲蚀性能进行了三维数值模拟,计算出冲蚀磨损过程中等效应力的变化情况,并与试验结果进行了对比.结果表明,数值模拟的试件耐冲蚀顺序依次为:柔形与凹坑耦合>柔形与光滑耦合>凹坑形态>光滑形态,该结果与...     

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。     

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.     

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.     

凹坑型仿生形态环块样件接触问题有限元数值模拟

利用ANSYS建立了环块样件接触的实体模型,将齿轮接触问题进行了等效简化;根据ANSYS接触问题的有限元分析方法与仿生学表面形态优化设计技术,在环块样件的接触面区域形成了九种不同分布的凹坑型仿生表面微观形态,完成了光滑环块样件与九种凹坑型仿生形态环块样件接触问题的三维有限元数值模拟,进行了光滑与凹坑型仿生形态环块样件接触应力的对比分析,得出:仿生形态环块样件接触区域接触应力峰值高于光滑样件,但仿生形态环块样件接触区域的平均接触应力值低于光滑形态。     

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。     

仿生表面形态对齿轮弯曲疲劳性能的影响

以工程仿生学为基础,利用试验优化设计方法设计试验方案,采用激光图形雕刻加工实现齿根处的仿生表面形态,研究仿生表面形态齿轮和普通齿轮的弯曲疲劳性能。试验结果表明,与普通齿轮相比较,具有仿生表面形态的齿轮试件的弯曲疲劳寿命提高了1.06～1.42倍,仿生表面形态改善了齿轮的抗疲劳性能。     

旋成体仿生凹环表面减阻试验分析及数值模拟

通过风洞试验及数值模拟分析了置于旋成体后部的凹环表面结构对其底部阻力、摩擦阻力及激波阻力的影响。马赫数为1.79、基于旋成体最大直径的雷诺数为1.5×106的风洞试验表明:凹环表面可显著减小旋成体的底部阻力,但却增大了包含摩擦阻力和激波阻力的粘性前部阻力。利用SSTk-ω湍流模型对试验优选模型进行了数值模拟,结果表明:凹环内部低速旋转气流产生的涡垫效应和推动效应致使旋成体的摩擦阻力减小了22.4%,凹环还能减弱外部气流对旋成体截尾底部死水区的抽吸作用,显著降低了底部阻力。但由于凹环对气流的扰动增加了激波阻力,故包含底部阻力及激波阻力的压差阻力减小并不显著,仅为0.4%。     

浅谈包装设计中的形态仿生

介绍了形态仿生在物品包装设计中的应用。形态仿生设计以各种自然形态为设计原型,通过对自然形态的提炼、分析、融合等,使包装具有自然形态的特点,丰富了包装形态的样式,而且可以更为直观、幽默、富有亲和力地传达商品信息。     

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。     

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。     

仿生形态表面气固冲蚀磨损性能

根据试验优化设计理论,利用L27(313)三水平正交表设计试验,对具有凹坑形、凹槽形、圆环形仿生形态表面的试件进行冲蚀磨损试验研究,运用极差分析处理试验数据,得到三种表面形态试件的冲蚀率与各试验因素之间的关系。结果表明:试验因素对冲蚀率的影响程度由大到小依次为砂子目数、转速、喷砂量、形态;冲蚀率随着目数、转速的增大而增大;所有一级交互作用中,形态和喷砂量之间的交互作用对冲蚀率的影响最大,目数和转速之间的交互作用对冲蚀率的影响最小。     

基于长耳鸮翼前缘的仿生耦合翼型气动性能

基于对流体介质中典型动物长耳鸮减阻降噪耦合功能的研究,揭示了其快速无声捕食主要取决于其高升力翼羽独有的序贯排列方式;应用逆向重构技术,量化了长耳鸮翅膀翼羽前缘形态特征几何信息,并建立仿生耦合模型,其展向前缘形态可以用波长与振幅(波峰、波谷)来限定。应用基于有限体积法和压力修正的SIMPLEC算法,对仿生耦合翼型模型的气动特性进行了数值模拟。结果表明,在深度失速条件下,仿生耦合翼型结构在一定的波长和振幅范围内能够显著改善翼型的气动性能,升力增幅高达19.8%。失速攻角延迟30.3%。与波长相比,调节振幅能更好改善翼型深度失速条件下的气动性能。     

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NiTi合金的仿生防护结构自恢复特性

借鉴猫科动物脚掌肉垫具有负泊松比结构的缓冲吸能特性,运用结构仿生学原理设计了仿生防护自恢复结构。利用NiTi形状记忆合金超弹性特性和负泊松比结构优异的力学性能,建立了简化的仿生防护自恢复模型,利用LS-DYNA对该模型进行了动态压缩特性和恢复特性模拟分析。同时,利用NiTi形状记忆合金材料制备仿生结构样件,并进行了动态压缩试验测试。结果表明:仿生结构样件在1200 N压力范围内,可实现受压变形后自激恢复的特性;NiTi合金仿生防护结构在压缩载荷的作用下具有优异的变形吸能和自恢复回弹特性;仿真分析结果与试验结果较为符合,较准确地模拟了样件在动态压过程中的变形特性及承载特性。本文研究成果实现了压力载荷作用下仿生防护结构的自动回弹恢复功能,对提高防护装甲的抗冲击、自恢复特性提供了参考。     

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。