2022年仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、仿生氣械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 仿生氣械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 仿生氣械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 汪久根鄢建輝杭州310027浙江高校機(jī)械系摘要 : 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) ; 此外仍爭(zhēng)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 BionicDesignforUniversity,Hangzhou310027Abstract:Forthe,theprincipleandmethodsofbionicdesignwerereviewed1T

2、hedampinginthehorselegswasproposedto2,andthefiberstructureswithdifferentlayersofintestinesandsilkswerepresentedinbionicstodesignthesteelcables1M,thebionicmaterialstructures,whichmimicthePlatobodiesandKapler2Poinsotbodies,weresuggestedtodesignthecompositecoatingsystems1 Keywords:MechanicalStructure B

3、ionicDesign A nti2Vibration CompositeCoatings 1960 年 KramerMO出于仿生學(xué)的考慮 , 提出了一種特別的減阻方法 , 他仿造出一種“ 人造海豚皮”, 用密封的橡膠包裹著瘦長(zhǎng)形物體做成了彈性掩蓋層 外套 , 并用銷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形下運(yùn)動(dòng)速度能提高近一倍 1 ；自從 1960 年以來(lái) , 仿生爭(zhēng)論已在傳感器設(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)地面仿生氣械的爭(zhēng)論也取得了很大進(jìn)展

4、; 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)運(yùn)算分析 , 設(shè)計(jì)了一種涂層結(jié)構(gòu) , 稱其為整合涂層；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 , 存在很多奇妙的機(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)シ抡张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)的人們爭(zhēng)論仿生原理與結(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)用的爭(zhēng)論較少見(jiàn), 本文擬從對(duì)比如干生物體微結(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)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)全部生物體進(jìn)行明白剖爭(zhēng)論；解剖學(xué)發(fā)覺(jué)了生物的微組織結(jié)構(gòu) ,

5、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)國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 50175099組織形式 , 此外仍有螺旋、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)中仿造這些分子結(jié)構(gòu) , 就能獲得高性能的復(fù)合材料；最近 WilsonAM 等6 爭(zhēng)論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

6、仿生、結(jié)構(gòu)仿生、形狀仿生、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, 模擬雞蛋形狀的固體潤(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； 2022 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)；假如模擬蠶絲的分級(jí)結(jié)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)也可用類似的設(shè)計(jì)；復(fù)合涂層是表面工程現(xiàn)今的進(jìn)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

7、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圖 5 鋼纜的結(jié)構(gòu) 9圖 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)滑劑與切削液的爭(zhēng)論開(kāi)頭于 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)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；由于這類自然潤(rùn)滑劑的抗氧化性能差 , 人們又進(jìn)行了添加劑的爭(zhēng)論 , 以期用添加劑來(lái)改性自然油分子的結(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

8、 , 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)成了威逼；因此, 從 2022 年以來(lái) JaneckiJ8等提誕生態(tài)潤(rùn)滑劑與切削液的爭(zhēng)論；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；另外仍有模擬生物結(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

9、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)； 1 侯暉昌 , 減阻力學(xué) , 北京 : 科學(xué)出版社 ,1987 ； 2 崔福齋 , 馮慶齡 , 生物材料學(xué) , 北京 : 科學(xué)出版社 ,1997 ；3S1Kamat,X1Su,BallariniR,A1H1Heuer,Structuralbasisforthefracturetoughnessoftheshelloftheconchstrombusgigas,Nature,2022,20529:103610401 4藍(lán)偉明 , 汪久根 , 李興林 , 仿竹涂層的設(shè)計(jì)及其應(yīng)力, 潤(rùn)滑與密封 ,2022,1:1011； 5R1Skalak,S1Chien,Handbookofbioengineering,London: McGraw2HillBookCo1,19861 6A1M1Wilson,M1P1McGuigan,A1Suetal1,Horsesdampthe springintheirstep,Nature,2022,414:8958991 7 黃純穎 , 高志 , 于曉紅等 , 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì) , 北京 : 高等教 育出版