生物轻质高强结构及其在吸能结构中的仿生应用

在长期进化过程中,自然界中的多种动物、植物形成了独特的轻质、高强结构,以此来抵抗外界的复杂冲击载荷,保护自身完整,满足生存需要。生物轻质高强结构的优越性,启发了科研和工程人员采用结构仿生学的方法来对管状和板状两大类吸能结构进行设计优化和改进。对竹子、茎秆/树干、羽轴、骨骼四类管状生物结构和甲虫鞘翅、贝壳、柚子皮、龟壳四类板状生物结构进行综述,阐述了分层、多孔、螺旋、中空等多种结构与轻质高强特性之间的关系。在此基础上,对比和分析了相应的结构元素在单胞管、多胞管、嵌套管、波纹管等管状吸能结构和蜂窝夹芯板、复合材料板、混合结构板等板状吸能机构中起到的作用。进一步对当前仿生吸能领域存在的结构复杂、质量大、缺乏普适性的机理和过渡“桥梁”等问题做出了分析;最后对仿生吸能技术的形式简单化、结构轻量化、理论通用化、“形神兼备”化发展趋势做出展望。     

复合材料尾梁开口区有限元优化设计

利用有限元分析方法,计算直升机尾梁连接平尾开孔区域的应力分布,并以此为依据设计并优化复合材料结构替代原金属结构。对比两种不同材料的有限元分析结果,发现复合材料层压板可以替代金属,作为直升机尾梁及开口区结构材料,并且可以有效减轻结构重量。利用一种新的模块化铺层替代方法对复合材料铺层厚度进行优化设计,得到合理的铺层优化方案。     

仿生刀齿表面结构优化设计

土壤粘附是影响疏浚刀齿切削效率的重要因素之一.降低粘性土壤对刀齿表面接触面积可以减小土壤对刀齿的粘附和降低刀齿切削土壤的阻力.针对两种典型非光滑刀齿结构用遗传算法进行了优化设计,得到了在一定压力条件下非光滑表面仿生刀齿结构的最优参数,为疏浚刀齿表面结构仿生减粘降阻设计提供了参考.     

组合结构优化设计及其应用

介绍了在工程结构优化设计中占有重要地位并具有广阔应用前景的组合结构优化设计,评述了组合结构优化设计研究的国内外现状,给出了作者研制开发的组合结构优化集成软件I—SODS的总体结构。对组合结构优化算法作了介绍,并提出了结构优化实用化研究的4个重要方面。     

飞机货舱立柱结构拓扑优化设计

研究表明,在泄压阀开启前,民用飞机的货舱结构必须能够承受一定的泄压载荷。使用壳单元建立某型飞机货舱立柱模型,采用基于Optistruct的拓扑优化方法对泄压载荷作用下的货舱立柱进行优化设计。最终得到优化后的结构,承载能力从0.068 atm提升至0.136 atm,满足强度要求,重量比原有结构增加11.7%.     

飞机千斤顶机架结构的拓扑优化设计

为实现千斤顶机架的轻量化设计,提高材料的利用率,对机架的4种极限工况进行了静力学分析,通过分析可知机架在这4种工况下的刚度和强度裕量较高,材料不能得到充分利用。对机架进行拓扑优化设计,得到机架结构的最佳材料分布。参照优化后的结构重新建立机架模型,并进行有限元分析,验证结果的可靠性。优化后机架的质量由26.714 kg减小到21.058 kg,减轻了21.17%,在满足使用要求的情况下,提高了材料的利用率。     

中国科大研发轻质高强韧纳米纤维素仿生结构材料

正材料是人类文明发展的物质基础。航空航天等高技术领域对工程结构材料性能的提升不断提出新的需求,研制全面超越工程塑料、陶瓷和金属材料等传统结构材料的新型轻质高强材料,对相关领域的实际应用具有重要的战略意义,在轻量化抗冲击防护和缓冲材料、空间材料、精密仪器结构件等应用领域将具有广阔的应用前景。近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队发展了一种新型纳米纤维仿生结构材料的制造方法,成功研制了一类天然纳米纤维素高性能结构材料。该材料具有优异的综合性     

TheoJansen仿生腿研究及其机构优化设计

通过基于标准Theo Jansen仿生腿(Jansen-leg)机构研制出的小型仿生机器人实物样机的性能测试,发现该机构存在足端运动轨迹单一、地形适应性差等不足之处,针对此进行Jansen-leg机构的系统优化与革新设计。将双边测量中的距离方程应用于标准型仿生腿的运动学建模,作为机构优化中动态变换点的运动学分析的理论依据。通过可重构的优化设计方法,得到了能够适应趾行、避障、泥地、攀爬等运动的诸多新型足端运动轨迹模式。受到优化设计过程和结果的启发,在继承Jansen-leg机构优点的同时对其进行机构革新设计。设计的新机构不但具有很好的越障性、通过性、足端运动轨迹模态多样性,还具有控制简单、关节运动协调性好等诸多优点。提高了该机构对非结构地形环境的适应性,拓展了该机构的应用范围。     

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。     

基于结构仿生的塔式起重机臂架优化设计初探

随着重型机械制造业的快速发展,学术界对该领域的关注力度不断增强,塔式起重机结构优化便属于这一关注所涉及的具体内容,基于此,本文就塔式起重机臂架有限元模型建立及分析、臂架仿生优化设计、仿生臂架有限元分析及结果比较进行了详细论述。     

飞机清洗车后支腿结构优化设计

在对飞机清洗车后支腿结构力学分析的基础上,利用有限元软件对其进行了优化设计,改进后的后支腿结构承载能力增强,焊缝数量少,焊接工艺性得到了显著改善.     

复合材料飞机结构综合优化设计技术研究

针对复合材料前掠翼进行了综合设计优化。建立了多极混合优化设计模型。同时提出了用混合有限元模型实现系统层优化设计的方法。通过三级混合优化设计模型,初步实现了对前掠机翼结构的综合优化设计,一方面达到了提高机翼结构稳定性的目标,另一方面也对机翼层合板结构的铺层顺序实现了铺层设计。     

开口空心齿轮轴的优化设计

以驱动齿轮和开口空心齿轮轴传动的重合度εα最大和齿轮轴的开口宽度L与法节pb之比最小为目标建立多目标优化的数学模型。采用统一目标法中的乘除法将各个目标函数统一到一个总的“统一目标函数”f(X)中,然后采用Matlab语言编程使用优化工具箱求出最优解,最后将优化结果应用在桑叶采摘机的设计中,并取得满意效果。     

开口双直孔力敏元件结构参数的优化设计

建立了某型号开口双直孔力敏元件的有限元分析模型及优化数学模型，以其主要结构参数为设计变量，利用ANSYS软件的技术对其进行了优化设计并得到了最佳的优化结果，为新型力敏元件的研究开发提供了新思路。     

开口凸轮机构的优化设计

建立了开口凸轮机构优化设计的教学模型．并对实例进行了计算和分析．为同类型传动的设计提供了有效优化设计方法。     

仿生智能计算在煤机齿轮参数优化设计中的应用

为解决某型矿用掘进机(简称煤机)截割减速器在实际工作中频繁损坏的问题,以法向齿轮模数、齿数和齿宽为设计变量,设定重合度最大、滑动率及体积最小作为三个目标函数,并基于强度、传动性能及几何尺寸要求设置约束条件,采用仿生智能计算方法中的微粒群算法,对相互啮合齿轮组设计参数进行了优化,基于优化结果设计的减速器,经装机实验及工业性测试,损坏现象有了明显改善,优化方法为解决工程实际问题提供了借鉴。     

大倾角带式输送机优化设计及其在小型煤矿的应用

我国小型煤矿分散且规模较小,具有较为复杂的地质条件,在进行开发的过程中经常会运用到大斜角带式输送机。按照小型煤矿工作条件以及运输巷道的具体情况对输送机的技术参数进行选择,并根据实际情况予以选择,设计输送机制动装置、输送带、驱动装置等重要部件。在实际使用过程中,这种输送机不但能够符合小型煤矿对生产的基本需求,还能够将小型煤矿的生产效率予以提高。     

结构拓扑优化设计的研究现状及其应用

介绍了结构拓扑设计的发展过程和主要的数学模型;分析了目前存在的拓扑数值稳定性问题和这些问题的常用处理技术;描述了优化准则法、序列线性规划法和移动渐进线法三种常用的优化算法;举例说明了拓扑设计在静态结构、动态特性和柔性机构设计中的应用;根据国内外目前在结构拓扑设计领域的研究现状和笔者的科研经验,总结了拓扑设计今后研究的重点内容和发展方向。     

仿生多层级柔性轻质结构的设计、制备及力学性能分析

以中华鲟背部骨鳞和鲟鱼皮结构为生物模板,通过结构仿生原理设计出一种新型仿生多层级柔性防护轻质结构。采用尼龙、液态硅橡胶和凯夫拉纤维,通过高温固化成形技术进行制备,有效解决了以往仿生鳞片与基底层连接不牢的问题。利用冲击力学试验对仿生复合结构进行了防护性能分析,并研究了仿生骨鳞结构的夹角γ、嵌入角度θ以及结构之间重叠率Kd的变化对仿生复合结构吸能特性的影响。测试结果表明,具有覆瓦状形态特征的仿生骨鳞结构以及具有纤维铺层的柔性基底结构可显著提高仿生复合结构的抗冲击力学特性。