基于仿生微圆结构的汽车吸能盒耐撞性分析

为提高汽车吸能盒的耐撞性,受甲虫鞘翅微观结构启发,研究了一种可应用于吸能盒结构设计的仿生微圆结构。建立了仿生微圆结构的有限元模型,对比分析了仿生微圆结构与传统肋板结构的吸能特性。基于简化超折叠单元理论,推导了仿生微圆结构在轴向载荷下的平均压溃力理论解。研究结果表明：与传统肋板结构相比,仿生微圆结构的能量吸收效率提高了32.20％以上,且理论解与试验结果的吻合度较高。     

文化仿生在汽车造型设计中的应用研究

文化仿生有助于从物质和精神两方面探讨传统文化在汽车造型设计中的延续问题。通过对文化仿生理念的背景、内容和研究现状的论述,分析了基于文化仿生的汽车造型设计模式,提出了文化仿生应用于汽车造型设计的3种设计方法。最后,以概念车设计为例进行了文化仿生的应用分析。     

浅谈汽车造型设计中仿生设计的应用

汽车造型仿生设计是汽车性能以及汽车品牌文化内涵集中体现的设计类型,从上世纪二十年代汽车造型仿生设计的应用开始到今天,汽车造型仿生设计为汽车品牌的推广以及汽车市场营销都具有深刻的影响。在当前科技在汽车竞争中逐渐趋于平衡的发展趋势下,汽车造型设计逐渐成为汽车产品竞争实力的综合体现。并且在我国自主品牌汽车发展的关键时期,如何设计出具有中国设计特色的造型设计已经成为业界和人们关注的焦点问题袭。基于此,本文从汽车造型设计中仿生设计的应用研究为课题,把汽车仿生设计的相关概念和国内外发展进程结合起来,最后给出了汽车制造设计中仿生设计运用的相关启示。     

功能梯度材料吸能盒结构设计及优化

传统的吸能盒结构,碰撞过程无法实现稳定有序折叠溃缩,同时存在单位质量吸能效果差的缺点,限制了汽车安全性能的提高。引入一种功能梯度材料(Functionally Graded Material, FGM)结构吸能盒,即在传统316L不锈钢基体上添加铝合金成分形成梯度材料结构,同时仿照竹节虫胫骨截面结构对其横截面形状进行优化,并基于优化拉丁超立方体试验设计和响应面模型对竹节虫胫骨横截面的具体结构进行多目标优化。仿真结果表明,优化后的仿生功能梯度材料吸能盒能够实现稳定的从头部至尾部的折叠溃缩。和传统吸能盒相比,仿生结构功能梯度吸能盒单位质量吸能效果提升,能够有效削弱碰撞对车身的损伤。     

仿生制造的生物成形方法

生物制造与仿生制造是机械领域与生物领域交叉产生的新领域。生物方式制造是利用生物手段的制造方法,已提出生物去除加工、生物约束成形、生物生长成形、生物连接成形、生物复制成形、生物自组织成形等加工成形方法。仿生制造是模拟生物形体与功能的结构制造,包括仿生材料结构、仿生表面结构、仿生运动结构等结构制造。仿生制造的结构往往比较复杂,利用增材快速原型和传统机械制造方法效率通常较低,利用生物方式制造方法往往更加简便和快捷。阐明生物成形方法在仿生微纳复杂形体、结构、功能界面制造上的优势,表明生物成形技术在节能、环保、微纳等领域具有广阔的应用前景。     

水下捕捞机器人耐压舱仿生造型设计

为降低捕捞作业的运行成本,对水下捕捞机器人的耐压舱进行仿生减阻设计。以粒突箱鲀为仿生对象,基于灰度转换和边缘检测技术提取其外形特征廓线,以捕捞机器人特征高度为设计变量建立仿生耐压舱三维模型,并将回转体耐压舱模型作为对比对象,通过Fluent软件对两种耐压舱进行流体仿真分析,分别比较其阻力系数、阻力和升力系数。结果表明：与传统回转体耐压舱相比,仿生耐压舱具有更小的阻力系数,可有效减小其在水中行进的阻力;仿生耐压舱的流线型结构有效降低了流场扰动,提高了捕捞机器人在水下运行时的平稳性。研究结果可为水下捕捞机器人耐压舱的造型仿生及减阻设计提供理论依据。     

仿生关节驱动器动力学分析

传统的"电机+转换机构"及改良电机的关节运动实现方式,难以满足现代关节应用工程对关节运动越来越高的性能要求。本文模拟生物关节简洁紧凑的结构和肌肉纤维收缩联合式驱动机理,建立一个仿生关节驱动器;重点解决仿生关节驱动器的结构优化仿生设计和动力学仿真,分析仿生关节驱动器在空载情况下的运动形式、动力学性能和接触力。仿真结果表明:仿生关节驱动器具有优秀的运动和驱动性能,可望解决未来机器人、主动假肢、仿生机器、探测操纵装备等高新应用工程对高性能关节驱动器的需求。     

镁合金覆盖件功能表面的仿生设计及关键技术

正项目负责人:刘燕(E-mail:lyyw@jlu.edu.cn)依托单位:吉林大学项目批准号:509050711.项目简介镁合金作为最轻的金属结构材料,具有优异的特性,在航空航天、汽车工业和电子通讯等领域已经得到广泛应用。但其表面面耐蚀性差是制约其应用的主要原因。本项目运用仿生学原理,选用AZ91D镁合金作为基体,构筑形态、结构、材料多因素协同作用的复合表面,以提高镁合金表面自清洁性,进而改善镁合金表面耐蚀等性能,通过化学刻蚀法、模板法等制备具有自清洁性、耐腐蚀、耐磨性能的仿生功能表面。探讨仿生表面材料、形态、结构等因素对性能的影响机理,系统总结     

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。     

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。     

仿生直立双足机器人的稳定性控制算法

仿生直立双足机器人共有7个旋转自由度,对其稳定性控制是保证双足机器人稳定行走和姿态变换的关键。传统方法中对仿生直立双足机器人的稳定性控制采用二自由度超外差控制方法,对直立双足机器人抓握和操控的运动规划效果不好。提出一种基于末端效应逆运动学分解的仿生直立双足机器人的稳定性控制算法,构建了仿生直立双足机器人运动学结构模型,采用末端效应逆运动学分解方法对机器人的运动学模型进行七自由度重构,在重构的运动学状态空间中实现仿生直立双足机器人稳定性控制,实现控制算法改进。仿真结果表明,采用该算法进行机器人稳定性控制,机器人行走过程中各个机构部件具有稳定运动学参量的输出,仿生双足机器人的控制机构参数仿真结果与理论值在一定的波动范围内相符,保证了机器人在行走和各种行为动作实施过程的姿态稳定性。     

四足机器人仿生腿结构特性及其控制系统研究

针对四足机器人整机对单个支撑腿的要求,对机械腿结构特性和控制系统展开研究。基于对四足动物腿部生理结构分析,提出具有两个主动关节和一个被动关节的四足机器人仿生腿结构,并完成运动学特性分析。通过分析仿生四足机器人控制系统功能与性能要求,提出具有开放性、模块化和结构紧凑特点的仿生四足机器人控制系统方案,基于DSP设计并实现仿生腿控制系统。实验证明仿生腿结构合理,控制系统稳定可靠且具有良好的扩展性,仿生腿系统可作为下层模块集成到仿生四足机器人系统。     

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。     

基于3D打印的大尺寸猪笼草口缘区仿生表面设计

为了解决现有猪笼草口缘区仿生表面由于结构尺寸小而难以实现大批量制备的问题,设计并采用3D打印制备具有单向铺展性的大尺寸结构猪笼草口缘区仿生表面.根据毛细作用理论分析面向大尺寸结构的猪笼草口缘区结构参数铺展作用机理,基于3D打印精度分析和微流道流体仿真,计算获得具有单向铺展性的百微米级以上结构参数范围;采用光固化成型方法制备具有大尺寸微结构的仿生表面,通过液体铺展试验测试仿生表面的液体单向铺展性能,获得性能良好的百微米级结构猪笼草口缘区仿生表面.结果 表明:空腔楔角30°,椭圆半长轴570 μm,微流道宽度360 μm、盾形微结构体长360 μm、盾形微结构拉伸长度200 μm的仿生表面具有优异的液体单向铺展特性,采用常规3D打印技术即可实现其快速制备.     

基于Solidwoks的仿生绞刀的三维建模

仿生绞刀是在传统绞刀表面设计典型生物的凸包等结构单元,从而降低土壤的粘附力和摩擦阻力,获得减粘降阻的效果.根据仿生结构的参数方程,利用三维机械设计软件Solidwoks,建立仿生绞刀的三维模型.     

气动肌纤维驱动仿生机体类生物变刚度特性分析

四足机器人的仿生机体,大多采用刚性或单自由度机体结构,限制了四足机器人的机动性和灵活性。基于四足生物躯体解剖结构及动态弯曲运动机理分析,设计一种气动肌纤维驱动的刚柔耦合仿生机体,可实现变刚度侧向弯曲。根据仿生机体的结构,分析仿生椎间盘、仿生韧带、仿生肌肉等主要组成要素的刚度,提出一种仿生机体的串并联式刚度模型,建立仿生机体的刚度与气动肌纤维输入气压间的关系,探究在不同驱动方式下仿生机体的局部、整体变刚度特性。设计仿生机体的变刚度测试实验平台,分别开展仿生机体的局部、整体动态弯曲试验,分析其主动变刚度特性。实验结果表明,通过改变气动肌纤维的布置及充气压力,能实现仿生机体的动态弯曲,具有类生物的局部或整体变刚度特性。创新研究的仿生机体及驱动方式,为提高四足机器人的机动性提供借鉴。     

小型翼结构仿生设计与试验分析

小型翼结构设计主要是确定翼梁、翼肋的形式、分布和尺寸,以满足机翼结构强度、刚度要求.生物骨架以其结构、材料的合理分布和组合满足生物体的多种功能需求,为飞行器结构仿生设计提供了不竭灵感.叶脉形状为椭圆形空心管,并且尺寸沿轴线逐渐减小,最主要结构特征是倾斜、交错、分叉,以适应不同部位应力分布特点.在分析小型翼结构设计特点的基础上,借鉴叶脉结构特征,利用相似原理,设计仿生型机翼结构.有限元分析表明,仿生机翼比原型机翼具有更高的结构效能.采用选择性激光烧结(Selective laser sintcring,SLS)技术制作原型与仿生型机翼样件,并对其进行静力弯曲试验,与原型机翼相比,仿生型机翼质量、变形、应力都相应减少,证实了小型翼结构仿生设计的有效性和有限元分析的可靠性.     

电动汽车动力电池的支撑结构轻量化设计探微

汽车是人们生活和工作中不可缺少的重要代步工具,对于便捷人们的生活有着重要的作用。就当前的汽车利用分析来看,虽然其便捷了人们的生活,但是其也造成了比较严重的空气污染,为了在抑制传统汽车发展的基础上满足人们出行的需要,开发和研制新能源汽车具有重要的意义。而电动汽车作为清洁环保的新能源汽车代表,从电动汽车的具体分析来看,其在环保方面的效果突出,但是在结构支撑方面具有较为明显的稳定缺陷。基于此,本文就电动汽车动力电池的支撑结构轻量化设计做分析和讨论。     

风力机塔架结构仿生设计及力学性能分析

针对柔性化发展以及随之而来的高耸结构稳定性问题,对结构仿生理论在风力机塔架设计中的应用进行了研究。选取竹子为生物原型,基于层次分析法计算出竹子与塔架具有较高的相似度,验证生物选型的合理性。在此基础上,提取竹子的节状特征应用于风力机塔架的结构,设计具有加强节特征的仿生塔架,并采用有限元方法对仿生设计前后的塔架结构力学性能进行对比分析。结果表明:具有5个加强节的仿生塔架较原型塔架在刚度和极限承载能力等方面均得到提高,应力分布特点更加合理。验证了仿生理论在塔架设计中的有效性,为风力机塔架的结构设计提供了新方法。     

构造仿生关节的 3自由度并联机构运动特性

论述用并联机构构造仿生关节的原理,讨论仿生关节的结构特点,分析生物关节的运动特性及控制特点。采用三自由度具有与生物关节相似机械结构的滑块式并联机构;对采用的并联机构进行结构原理设计。建立机构位置方程,建立基于智能控制的位姿变换矩阵。设计仿生关节机构的结构参数;应用数值解法对机构的结构参数作仿真,并对其结论作分析。