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。     

表面结构互动减阻机理数值模拟

研究发现,表面织构及仿生表面结构具有改善滑动摩擦特性的作用,但多数的相关工作只关注摩擦副单一表面上的结构对摩擦的影响,而对摩擦副双表面结构互动减阻机理的研究很少.受多足爬行动物的启发,将摩擦副表面结构设计为物体的足时,物体可以像蜈蚣一样在对摩副表面结构上爬行滑动,其所受到的摩擦力等于驱动足结构转动的横向力.对足结构...     

凹坑非光滑表面减阻技术数值模拟研究

对于管道输送,减小输送阻力消耗十分重要.对于减小输送阻力消耗,应用非光滑表面减阻技术尤为关键.利用流体力学知识,通过使用数值模拟软件,建立凹坑理论模型,以RNG κ-ε模型为基础进行分析,模拟计算了光滑表面和矩阵排布的凹坑表面.将两种表面流场分别进行数值模拟,得到不同的减阻效果.通过计算分析可以得出,在不同速度下,发现...     

超疏水表面减阻特性的研究进展

超疏水表面具有减阻效果,在提高管道传输效率、降低水下航行体和微流体器件中流动阻力等方面有着广阔的应用前景。介绍超疏水表面的制备、滑移理论以及减阻特性的研究,讨论微尺度下表面润湿性、表面微结构和流场流动状态对壁面减阻的影响,对超疏水壁面减阻的物理机制进行总结,并指出气体层不连续模型和气穴模型是分别适用于光滑疏水表面和带微结构超疏水表面的减阻模型。介绍超疏水表面减阻特性的一些应用,提出将超疏水表面应用到微流体系统中面临的问题,如微通道壁面疏水性的制备及其减阻效果的耐久性。     

表面微结构的尺寸参数对其减阻性能的影响

为了研究微结构尺寸参数对减阻性能的影响规律,构建了V形、L形及T形三种微结构有限元模型,采用Fluent软件进行数值模拟,分析微结构尺寸参数(高宽比、数量和间距)对减阻率、速度和涡量的影响。结果 相较于L形、T形微结构,V形微结构的减阻性能较优,减阻率可达15.6%。当V形微结构高宽比为1∶1,流体域速度为6 m/s时,减阻效果最优,减阻率可达5%;V形微结构展向数量对减阻性能的影响较小,减阻率在14%-16%之间变化;当间距值为0.05时,减阻率最大为14%。结论 微结构使得近壁区边界层内发生了湍流猝发现象,外部高速流体与壁面区域的流体分隔开,变相的增加了边界层的厚度。同时涡量集中在微结构尖端处,减弱反向旋涡的强度,抑制了低速条带的形成和发展。     

超疏水表面的减阻研究

为探索超疏水表面的减阻机制,利用位错刻蚀法在铝板上制备出接触角为156°、滚动角小于5°的超疏水表面,并分别以具有超疏水表面和亲水表面的铝板为基板,构建了两种流动状态可视化测试的微粒子图像测速(Particle Image Velocimetry ,PIV)微通道,通过PIV粒子图像测试技术对水在超疏水微通道和亲水微通道中的速度流动情况进行实验测定与对比,得出超疏水表面确实有减阻效果,最大减阻效果可达8.72%,并从多角度进行了解释分析.     

磨削的结构化鱼鳞表面的摩擦特性研究

为了获得磨削后结构化鱼鳞表面的摩擦特性,首先设计拓扑结构化鱼鳞表面,然后对表面建立流体动压润滑模型,并利用流体仿真软件进行分析,研究对比磨削加工后不同粗糙度的单元鱼鳞凹坑的油膜承载力以及摩擦系数,并且整体分析结构化鱼鳞表面的压力和摩擦系数随油膜厚度变化的规律。研究表明：在给定的结构化表面参数范围内,磨削粗糙度越低的结构化鱼鳞表面单元的润滑效果越好;整体来看,结构化鱼鳞表面的润滑效果具有显著的累积效应;选择合适参数的结构化鱼鳞表面可以提高油膜承载力和降低摩擦系数,从而起到改善摩擦副润滑效果的作用。     

仿生非光滑表面管道的设计及有限元分析

仿生非光滑表面的减阻作用由于其在工程中的应用价值而被广泛关注。为了减小油气管道运输摩擦阻力损失，将蚯蚓体表的生物学特征引入管道中，设计了凸包型、凹包型2种非光滑壁面管道。结合理论分析、仿真模拟两种手段研究了仿生管道的高性能机理。通过对比仿生管道与普通管道内流体的流动特性，得到了性能最高的非光滑结构：凸包非光滑内壁管道。该管道相对于普通光滑管道，具有更高的减阻率，运输能量更强，流速更高，可为运输管道仿生减阻的深入分析提供参考。     

非牛顿介质中图形化表面对减阻效果的影响

为研究图形化表面在非牛顿介质中对减阻效果的影响,在微摩擦试验机(UMT)上进行了销盘润滑实验。实验中在硅片的表面刻蚀了纵向和横向2种沟槽以形成不同的表面图形。实验表明,与光滑表面相比,当剪切速率处于牛顿流动区时,沟槽具有一定的减阻效果;而当剪切速率处于剪切稀化区时,沟槽表面的阻力上升;并且横向沟槽表面的阻力总是大于纵向沟槽表面的阻力。流体数值计算的结果表明,横向沟槽侧壁的压差阻力和纵向沟槽侧壁的粘性阻力无法完全补偿沟槽底面上的阻力损失,因而产生了减阻效果。     

基于SAE模型非光滑表面对气动减阻的影响

以SAE汽车模型为研究对象,采用计算流体力学数值模拟方法研究非光滑表面布置位置对气动性能的影响。通过对SAE汽车模型的不同位置(侧部、底部、顶部、前部、尾部)布置凹坑型非光滑表面,计算SAE汽车模型的空气阻力系数,比较光滑表面与非光滑表面的流线、速度矢量以及压力,分析非光滑表面气动减阻机理和减阻效果差异的原因,根据分析结果得到了合理且能够减阻的汽车非光滑表面布置位置。     

仿生机器鱼系统设计研究

介绍了鱼类推进理论及仿生机器鱼的系统设计研究,重点叙述了机器鱼系统设计中的机械结构设计、硬件电路设计和软件设计.     

涂层刀具膜基结合面的仿生设计

提高涂层刀具膜基结合力对刀具使用寿命有重要影响,提出涂层刀具结合面仿生设计的思想,将牙齿的釉质和本质类比到涂层刀具的涂层和基体,根据牙釉质与牙本质结合面的形状,仿生设计了由一组圆弧组成的膜基结合面。基于基体拉伸法测涂层界面结合强度的思想,利用ABAQUS有限元软件仿真了界面结合强度。结果表明:由一组合适大小圆弧组成的结合面的界面应力分布情况较好。所阐述的膜基结合面形状的仿生设计将为基体表面镀膜前的处理提供一种新的思路。     

汽车设计中的仿生设计研究

文中简要论述了仿生设计方法,指出汽车造型设计运用这一方法的理论依据,并列举部分典型事例加以论证,仿生设计方法对于发展工业设计,发展山西的经济具有重要的作用。     

振动辅助铣削加工仿生表面研究

为探究沿进给方向施加振动辅助铣削加工仿生表面形貌的可行性,通过数学计算获得了刀具与工件分离的条件。设计了仿真分析方案,将振动辅助铣削MATLAB仿真刀尖轨迹与实验加工表面以及典型生物表面形貌进行了对比分析。分析结果表明,振动辅助铣削表面形貌和典型生物表面形貌具有相似性,证明了振动辅助铣削加工技术在仿生表面加工领域应用的可行性。     

仿生螃蟹机器人的设计与实现

基于对螃蟹特性的分析,运用仿生学原理设计了一款具有创意结构的仿生螃蟹机器人系统。采用模块化设计方法,对该机器人系统进行了硬件设计及算法软件设计,实现了诸如搬运、避障、扫雷,以及娱乐等多种功能。在复杂路况等环境下进行搜救与探测等方面,该机器人具有较好的应用潜力。     

仿生耐磨设计的研究现状及展望

介绍了提高仿生耐磨的润滑、表面几何形态、材质和结构等几种主要因素,从功能方面介绍了仿生金属材料、仿生陶瓷材料和仿生复合材料,阐述了仿生耐磨技术的概念以及目前国内外仿生耐磨技术的研究进展.此外,介绍了仿生耐磨技术在工农业方面的一些应用,指出了当前仿生耐磨的一些关键科学问题,并对今后的研究进行了展望.     

产品外形仿生设计研究现状与进展

创新是当前及未来发展的关键,而仿生是灵感来源的重要途径。仿生设计是工业设计中重要的研究方法,也是创新的重要手段。通过对国内外相关文献的研究,论述了产品外形仿生设计的相关概念,分析了产品外形仿生设计在形态仿生、功能仿生、结构仿生、肌理仿生、色彩仿生、意象仿生领域的发展,针对已有的产品外形仿生设计案例,提出了“自上而下”和“自下而上”两种设计过程,罗列了产品外形仿生设计中的主要方法。在产品外形仿生设计研究方法方面,提出了产品外形仿生设计的本体层、行为层和价值层三个层次模型,系统地探讨了产品外形仿生设计生物外形本征提取、产品外形设计与表达、生物外形本征与产品外形的融合三个方面的研究内容与体系结构,以及关键技术和存在的问题。针对仿生设计与信息技术的融合发展,提出产品外形仿生设计的研究热点和发展趋势。     

微扑翼飞行器的尺度律研究与仿生设计

通过分析飞行动物扑翼飞行中的各种物理参量对飞行特性的影响,得出了能为微扑翼飞行器设计所利用的规律。根据几何相似原理,利用基于量纲的尺度分析从本质上揭示了扑翼飞行中各种物理参量之间的相互联系。分析发现,几何尺度对微扑翼飞行器在翼展、翼面积、翼载荷、展弦比和扑翼频率等总体设计参数的影响趋势和对飞行动物相应物理量的影响趋势一致,但在具体量值上有所差异。根据扑翼飞行动物统计分析得到的尺度律设计并制作出了实际可飞的微扑翼飞行器。     

仿蝠鲼机器鱼软体胸鳍建模与仿真

介绍一种仿蝠鲼机器鱼上使用的软体胸鳍推进器,具有三维立体翼型并集成多个软体致动单元,具备更高形态及运动仿生度。分析提取了生物原型翼缘曲线并建立扑翼运动学模型,解耦描述胸鳍俯仰-摆转复合运动模式;对比了不同致动器数量的软体胸鳍运动特性与控制策略,并通过样机静态加载试验验证了有限元模型可靠性;基于格子-玻尔兹曼方法实现复杂曲面动态边界的流固耦合,在仿真环境中分析了单/多自由度软体胸鳍在不同工况下的扑翼推升力特性;数据对比表明多自由度胸鳍平均推力为单自由度的7.2倍,性能优势显著,为进一步水动力试验研究与机器鱼平台整合提供了数据预测与方向指导。     

镍铝青铜合金仿生表面的砂带磨削及其降噪特性

针对镍铝青铜合金材料难以加工出仿生沟槽表面从而提高其降噪性能的问题,利用金字塔砂带和空心球砂带在镍铝青铜合金材料表面上磨削出仿生沟槽,并搭建配套试验平台来对镍铝青铜合金材料表面进行仿生沟槽结构的磨削加工。提取了磨削表面的特征,据此进行流体噪声计算,对比分析了金字塔砂带磨削出的仿生表面和空心球砂带磨削出的仿生沟槽表面的噪声性能,结果显示:金字塔砂带磨削出的规则仿生沟槽表面声学能量等级的平均值为18.07 dB,空心球砂带磨削出的不规则仿生沟槽表面声学能量等级的平均值为37.6 dB。试验中,两种砂带磨削加工后的镍铝青铜合金表面均具有仿生沟槽结构,且金字塔砂带磨削出的规则仿生沟槽表面具有更好的水下降噪性能。