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1、仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
汪久根 鄢建輝
( 浙江大學(xué)機(jī)械系 杭州 310027)
摘要 : 針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì) , 對(duì)目前機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的仿生設(shè)計(jì)原理與方法進(jìn)行了
綜述 , 分析了仿馬腿的抗振結(jié)構(gòu)、仿腸與蠶絲的分級(jí)纖維結(jié)構(gòu) , 并提出對(duì)目前鋼纜結(jié)構(gòu)的改
進(jìn)設(shè)計(jì) ; 此外還討論了仿柏拉圖體與開(kāi)普勒 - 波因索特體的復(fù)合材料涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞 : 機(jī)械結(jié)構(gòu) 仿生設(shè)計(jì) 抗振 復(fù)合涂層
BionicDesignfor(University,Hangzhou310027)
Abstract:Forthe,theprincipleandmethod
2、sofbionicdesignwerereviewed1Thedampingint hehorselegswasproposedto2,andthefiberstructureswithdifferentlayersofintestines andsilkswerepresentedinbionicstodesignthesteelcables1M,thebionicmaterialstruct ures,which
mimicthePlatobodiesandKapler2Poinsotbodies,weresuggestedtodesignthecompositeco atingsyst
3、ems1
Keywords:MechanicalStructure BionicDesign A
nti2Vibration CompositeCoatings
1960 年KramerMOHd于仿生學(xué)的考慮,提出了一
種特殊的減阻方法 , 他仿造出一種“人造海豚皮” , 用密封的橡膠包裹著細(xì)長(zhǎng)形物體做
成了彈性覆蓋層 ( 外套 ), 并用銷(xiāo)釘將這一層固定在物體的表面上。在外套與物體之間充填
不同粘度的液體。將這樣的物體放在水中作拖曳運(yùn)動(dòng)時(shí) , 與同體型、同尺寸的光硬殼模型
相比 , 阻力就減小了。這使得在消耗同功率情況下運(yùn)動(dòng)速度能提高近一倍 [1] 。
自從 1960 年以來(lái)
4、 , 仿生研究已在傳感器設(shè)計(jì)、新材料設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)
內(nèi)對(duì)地面仿生機(jī)械的研究也取得了很大進(jìn)展 ; 作者曾在前人基礎(chǔ)上 , 對(duì)竹、血管、海螺殼的
微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿生力學(xué)計(jì)算分析 , 設(shè)計(jì)了一種涂層結(jié)構(gòu) , 稱(chēng)其為整合涂層。事實(shí)上 , 自然界
中的生物體已經(jīng)近數(shù)億或數(shù)十億年的進(jìn)化 , 存在許多巧妙的機(jī)制與結(jié)構(gòu) , 這些結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異 的性能,值得人們?nèi)ツ7屡c學(xué)習(xí)[2?5]。
目前 , 有從事力學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)與電子學(xué)的人們研究仿生原理與結(jié)構(gòu) , 但對(duì)仿生學(xué)
在機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的研究較少見(jiàn) , 本文擬從對(duì)比若干生物體微結(jié)構(gòu)與機(jī)械的結(jié)構(gòu)的設(shè)
計(jì)方法中 , 提出對(duì)相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)
5、行仿生設(shè)計(jì)。 1 生物體的微結(jié)構(gòu)
自從生物解剖學(xué)創(chuàng)立以來(lái) , 人們幾乎已對(duì)所有生物體進(jìn)行了解剖研究。解剖學(xué)發(fā)現(xiàn)了
生物的微組織結(jié)構(gòu) , 層狀結(jié)構(gòu)與矩陣結(jié)構(gòu)是生物組織的兩種主要結(jié)構(gòu)
①?lài)?guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (50175099)
組織形式 , 此外還有螺旋、折疊等結(jié)構(gòu)形式。圖 1 為蠶絲的分級(jí)結(jié)構(gòu) ; 圖 2 是動(dòng)物腸的
分級(jí)微結(jié)構(gòu)。由圖可知 , 多級(jí)微纖維的分層結(jié)構(gòu)是生物體整合高強(qiáng)度組織的一種手段 , 因此
人們可以有意識(shí)地利用這一原理來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)材料。
圖 3 是柏拉圖體的 5 種結(jié)構(gòu) ; 圖 4 是 4 種開(kāi)普勒 - 波因索特體的結(jié)構(gòu)。如能在復(fù)合材料
設(shè)計(jì)中仿造這些分子
6、結(jié)構(gòu) , 則能獲得高性能的復(fù)合材料。最近 WilsonAM 等 [6] 研究了馬腿
的纖維減振結(jié)構(gòu)。
圖 1 蠶絲的微結(jié)構(gòu) [2]
2 仿生設(shè)計(jì)的原理和方法
機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的方法有原理仿生、結(jié)構(gòu)仿
生、外形仿生、信息仿生和擬人仿生等 [7] 。仿生設(shè)計(jì)也可分為結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生
與過(guò)程仿生。例如 , 模擬雞蛋外形的固體潤(rùn)滑劑 ; 模擬香蕉皮分子結(jié)構(gòu)的固體潤(rùn)滑劑 : 二硫
化鉬與石墨等 ; 模擬馬腿微結(jié)構(gòu)的減震器設(shè)計(jì)。
我國(guó)潤(rùn)滑劑與切削液的年消耗量為 10 萬(wàn) t 以上。
2021 年第 2 期
圖 2 腸的分級(jí)結(jié)構(gòu) [2
們?cè)O(shè)計(jì)的幾種鋼纜組成結(jié)構(gòu)。如果模擬蠶絲的分級(jí)結(jié)
7、
構(gòu) , 可以設(shè)計(jì)出新型的鋼纜結(jié)構(gòu)。同理對(duì)光纖結(jié)構(gòu)也可用類(lèi)似的設(shè)計(jì)。
復(fù)合涂層是表面工程現(xiàn)今的發(fā)展方向之一 , 仿照柏拉圖體與開(kāi)普勒 - 波因索特體的復(fù)合
材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)疑是一種仿生設(shè)計(jì)的方法。
將球形固體潤(rùn)滑劑與硬質(zhì)相 , 例如 TiC,
TiN 等 , 制成自潤(rùn)滑的復(fù)合涂層 , 硬質(zhì)相承擔(dān)載荷 ,, 可以得到摩圖 3
5 鋼纜的結(jié)構(gòu) [9]
4 開(kāi)普勒—波因索特體
潤(rùn)滑劑已作為滾動(dòng)軸承、齒輪箱等機(jī)械零部件設(shè)計(jì)中
的一個(gè)重要元件 , 倍受人們關(guān)注。可生物降解的潤(rùn)滑劑與切削液的研究開(kāi)始于 1970 年 ,
至今已有部分綠色潤(rùn)滑劑投入使用。在綠色潤(rùn)滑劑的設(shè)計(jì)中 , 人們提出仿魚(yú)
8、的粘液的潤(rùn)滑
劑設(shè)計(jì)。潤(rùn)滑油如菜籽油、蓖麻油與豆油都是生物潤(rùn)滑劑。由于這類(lèi)自然潤(rùn)滑劑的抗氧化
性能差 , 人們又進(jìn)行了添加劑的研究 , 以期用添加劑來(lái)改性天然油分子的結(jié)構(gòu) , 從而提高其
抗氧化性。另一方面 , 由于礦物油與合成油中含有硫、氯與磷等元素 , 潤(rùn)滑劑對(duì)微生物有一
定的毒副作用 , 導(dǎo)致微生物的畸變 , 有毒微生物的產(chǎn)生與生長(zhǎng) , 這對(duì)環(huán)境又構(gòu)成了威脅。因
此 , 從 2001 年以來(lái) JaneckiJ[8] 等提出生態(tài)潤(rùn)滑劑與切削液的研究。
在耐磨涂層設(shè)計(jì)方面 , 有模擬皮膚、海螺殼、血管壁等層狀結(jié)構(gòu)的仿生。另外還有模
擬生物結(jié)構(gòu)的矩陣結(jié)構(gòu)仿生 , 例如修飾陶瓷分子
9、結(jié)構(gòu)的改性韌性陶瓷設(shè)計(jì)。 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的
仿生設(shè)計(jì)
鋼纜是礦山機(jī)械中常用的傳動(dòng)件 , 圖 5 是目前人
通過(guò)對(duì)幾種生物體的微結(jié)構(gòu)分析 , 提出相應(yīng)的仿生設(shè)計(jì) , 可以得到如下結(jié)論。
(1) 仿馬腿纖維的微結(jié)構(gòu)是抗振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新思路 , 仿腸與蠶絲的分級(jí)纖維結(jié)構(gòu) , 可以改
進(jìn)目前鋼纜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
(2) 提出了仿柏拉圖體與開(kāi)普勒 - 波因索特體的復(fù)合涂層材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) , 在涂層的有限
元、邊界元設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上 , 提出涂層微結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)。
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