五里堠煤矿顶板富水对锚固结构的影响及控制研究

针对巷道顶板富水造成的围岩大变形难以支护的问题,以五里堠煤矿1130运输巷道为工程背景,以现场实际条件为基础,通过数值模拟的方法研究了顶板富水对锚固结构的弱化影响,并针对性地提出了控制方案。结果表明,随着围岩含水率增加,锚杆周围的压应力区逐渐缩小,当含水率为6%时,锚杆的有效压应力范围仅有0.25 m,已无法起到有效的主动支护作用。解决巷道顶板富水问题的关键是降低围岩含水量。工业试验表明,采用锚索注浆的保水措施,可以有效降低顶板含水量,并提高锚固结构的稳定性,保证了巷道的稳定性。     

多元耦合仿生可拓模型及其耦元分析

运用可拓学基元理论和共轭理论对典型仿生模本生物进行了系统的分析,建立了耦元、耦联方式的可拓模型,提出了多元耦合仿生可拓模型的创建方法,为生物耦合系统信息知识的形式化表达提供了有效工具。并建立了典型生物多元耦合耦元贡献度评价的层次结构模型,利用基于优化试验的层次分析方法,定量地分析了荷叶自清洁耦合之耦元的贡献度。     

仿生岩羊四足机器人的设计和步态仿真研究

岩羊是最好的攀岩动物之一,可以在陡峭的悬崖上奔跑或者休息。为了复制岩羊卓越的运动性能,提出了一种新型的四足机器人设计方案,同时选择中央模式发生器(CPG)作为运动控制器。一系列的仿真实验用于验证文中所提出的机械设计和运动控制方法的可行性和优越性,结果表明含有减震悬架的机器人可以极大地减小地面冲击力和关节峰值扭矩;刚度可变的设计可以增加对环境的适应性和运动的稳定性;同时在开环控制下具有跨越障碍物和斜坡攀爬能力。另外,还实现了三种典型步态的运动,体现了机器人具有静态稳定性和动态稳定性。该研究对于开发用于山地攀爬的四足机器人具有参考意义。     

基于多种步态的德国牧羊犬足-地接触分析

以德国牧羊犬为研究对象,测试其在常速行走、对角小跑、跳跃3种步态下的足-地接触作用特征,通过分析犬右前足的垂直地反力、足底动态压力分布特征和模式得出:试验范围内,犬右前足的垂直地反力峰值由其体重的0.69倍(常速行走)增长到其体重的1.43倍(跳跃);随着足-地接触冲击力的增大,犬右前足的主要着地区域和主要承力点产生了适应性变化和调整,由常速行走的足外侧(第四指、第五指)逐渐调整为跳跃状态下的足中部(第三指、第四指)和掌垫区域,这种适应性调整有利于其足部缓冲储能功能的发挥。     

仿生耦合功能表面应力-应变本构关系

采用试验优化设计方法对相同试验条件下凹坑形仿生光滑试样以及具有仿生耦合表面的非光滑试样进行了干摩擦磨损试验对比研究。在相同试验条件下,凹坑形仿生非光滑试样磨损率小于光滑试样,即前者耐磨性较高。在此基础上,作者进行了受压状态下试样表面应力的试验测试和ANSYS有限元计算分析,探讨了非光滑凹坑对试样表面应力-应变分布的影响。结果表明:在受力状态下,仿生非光滑凹坑改善了试样表面的应力分布,使非光滑试样表面凹坑间的区域局部应力明显小于光滑试样表面的应力,即产生了局部低应力区。本文初步提出了非光滑结构的力矩效应和应力缓释效应。     

仿生张拉机械腿及其抗冲击性能仿真分析

针对机器人腿足系统抗冲击性能差的问题,基于生物张拉原理开发了一种仿生张拉机械腿。该机械腿关节间不存在刚性铰接轴,通过添加柔性材料模拟生物关节韧带和筋腱作用。仿真结果表明:相比传统机械腿,仿生张拉机械腿具有更好的抗冲击性能。材料敏感性分析表明,足-地冲击过程中,仿生张拉腿中的柔性构件通过变形有效吸收冲击能量,缓释了冲击作用强度,改善了刚性构件的应力分布状态。研究范围内仿生筋腱材料软硬保持不变,仿生韧带的弹性模量越小,仿生腿的抗冲击、抗弯能力越强;保持仿生韧带软硬一定时,仿生筋腱的弹性模量越大,仿生腿的抗冲击、抗弯能力越佳,进而为机器人腿足系统的创新设计提供了理论依据。     

基于CT图像的人体下肢骨骼三维实体模型重建

为探索生物骨骼系统三维CAD实体模型的高效快速重建方法,以人体下肢骨骼系统为研究对象,综合运用三种建模思路建立了基于解剖学的精细三维实体模型。该模型表面光滑,曲线流畅,满足后续有限元分析要求。对三种建模方法进行比较分析表明,采用Solid-works、Rhinoceros重建的骨骼具有简单控制线,整体较佳,Geomagic环境下的建模效率较高,且对于具有复杂曲面特征的骨骼或组织快速重建更有效。     

仿生降噪蜗舌试验研究与数值模拟分析

摘要：利用逆向工程方法,提取长耳鸮翼表面形态与构型降噪特征元素,设计仿生降噪蜗舌。将仿生降噪蜗舌应用于离心风机气流噪声控制,通过对比试验研究,在整个频段的总声压级LA均低于原型风机,声压级平均降低2.3dB;影响仿生蜗舌降噪效果的主次因素为：仿生形态单元间距t、仿生形态单元个数n、仿生形态单元高度h。基于计算气动声学原理的数值模拟分析表明,仿生系统降噪机理主要为：减小了气流对蜗舌的冲击,使蜗舌表面紊流附面层压力脉动减弱并延缓蜗舌后部涡流分离脱落;使从风机叶轮流出的脉动气流在流经仿生蜗舌表面时,流速分布较为均匀,速度突变较少,气流稳定性的增强有利于降低气流噪声的产生。     

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。     

蜘蛛生物液压驱动原理及其功能仿生探索

针对蜘蛛生物液压驱动原理的研究进行了综述,对蜘蛛步足液压原理进行了分析,尝试建立生物液压与工程液压难题的联系。首先,以海南捕鱼蜘蛛作为研究对象,通过电镜扫描、组织切片、Micro-CT等多种观测扫描实验得到其内流道模型,并基于该模型使用CFD软件对流动机理进行了研究。然后,根据CFD后处理得到的血淋巴流动轨迹,设计了一种仿生液压系统,为工程液压系统的设计提供一种新的思路。最后,针对蜘蛛步足的液压系统进行了功能仿生探索,设计了一种仿蜘蛛一体化双向运动关节,解决了现有仿蜘蛛关节不能实现驱动一体化、驱动精度得不到保证的问题,并高度再现了蜘蛛的生物驱动过程。