仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 汪久根 鄢建輝 （ 浙江大學(xué)機(jī)械系 杭州 310027） 摘要 : 針對機(jī)械結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計 , 對目前機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的仿生設(shè)計原理與方法進(jìn)行了 綜述 , 分析了仿馬腿的抗振結(jié)構(gòu)、仿腸與蠶絲的分級纖維結(jié)構(gòu) , 并提出對目前鋼纜結(jié)構(gòu)的改 進(jìn)設(shè)計 ; 此外還討論了仿柏拉圖體與開普勒 - 波因索特體的復(fù)合材料涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計。 關(guān)鍵詞 : 機(jī)械結(jié)構(gòu) 仿生設(shè)計 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)長形物體做 成了彈性覆蓋層 （ 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動時 , 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動速度能提高近一倍 [1] 。 自從 1960 年以來

4、 , 仿生研究已在傳感器設(shè)計、新材料設(shè)計等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。國 內(nèi)對地面仿生機(jī)械的研究也取得了很大進(jìn)展 ; 作者曾在前人基礎(chǔ)上 , 對竹、血管、海螺殼的 微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿生力學(xué)計算分析 , 設(shè)計了一種涂層結(jié)構(gòu) , 稱其為整合涂層。事實上 , 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) , 但對仿生學(xué) 在機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用的研究較少見 , 本文擬從對比若干生物體微結(jié)構(gòu)與機(jī)械的結(jié)構(gòu)的設(shè) 計方法中 , 提出對相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)

5、行仿生設(shè)計。 1 生物體的微結(jié)構(gòu) 自從生物解剖學(xué)創(chuàng)立以來 , 人們幾乎已對所有生物體進(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國家自然科學(xué)基金資助項目 (50175099) 組織形式 , 此外還有螺旋、折疊等結(jié)構(gòu)形式。圖 1 為蠶絲的分級結(jié)構(gòu) ; 圖 2 是動物腸的 分級微結(jié)構(gòu)。由圖可知 , 多級微纖維的分層結(jié)構(gòu)是生物體整合高強度組織的一種手段 , 因此 人們可以有意識地利用這一原理來設(shè)計產(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 種開普勒 - 波因索特體的結(jié)構(gòu)。如能在復(fù)合材料 設(shè)計中仿造這些分子

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)計的原理和方法 機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計的方法有原理仿生、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)計也可分為結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生 與過程仿生。例如 , 模擬雞蛋外形的固體潤滑劑 ; 模擬香蕉皮分子結(jié)構(gòu)的固體潤滑劑 : 二硫 化鉬與石墨等 ; 模擬馬腿微結(jié)構(gòu)的減震器設(shè)計。 我國潤滑劑與切削液的年消耗量為 10 萬 t 以上。 2021 年第 2 期 圖 2 腸的分級結(jié)構(gòu) [2 們設(shè)計的幾種鋼纜組成結(jié)構(gòu)。如果模擬蠶絲的分級結(jié)

7、 構(gòu) , 可以設(shè)計出新型的鋼纜結(jié)構(gòu)。同理對光纖結(jié)構(gòu)也可用類似的設(shè)計。 復(fù)合涂層是表面工程現(xiàn)今的發(fā)展方向之一 , 仿照柏拉圖體與開普勒 - 波因索特體的復(fù)合 材料結(jié)構(gòu)設(shè)計無疑是一種仿生設(shè)計的方法。 將球形固體潤滑劑與硬質(zhì)相 , 例如 TiC, TiN 等 , 制成自潤滑的復(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 開普勒—波因索特體 潤滑劑已作為滾動軸承、齒輪箱等機(jī)械零部件設(shè)計中 的一個重要元件 , 倍受人們關(guān)注。可生物降解的潤滑劑與切削液的研究開始于 1970 年 , 至今已有部分綠色潤滑劑投入使用。在綠色潤滑劑的設(shè)計中 , 人們提出仿魚

8、的粘液的潤滑 劑設(shè)計。潤滑油如菜籽油、蓖麻油與豆油都是生物潤滑劑。由于這類自然潤滑劑的抗氧化 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 , 潤滑劑對微生物有一 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 , 這對環(huán)境又構(gòu)成了威脅。因 此 , 從 2001 年以來 JaneckiJ[8] 等提出生態(tài)潤滑劑與切削液的研究。 在耐磨涂層設(shè)計方面 , 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。 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)的 仿生設(shè)計 鋼纜是礦山機(jī)械中常用的傳動件 , 圖 5 是目前人 通過對幾種生物體的微結(jié)構(gòu)分析 , 提出相應(yīng)的仿生設(shè)計 , 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)計新思路 , 仿腸與蠶絲的分級纖維結(jié)構(gòu) , 可以改 進(jìn)目前鋼纜結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 (2) 提出了仿柏拉圖體與開普勒 - 波因索特體的復(fù)合涂層材料結(jié)構(gòu)設(shè)計 , 在涂層的有限 元、邊界元設(shè)計方法的基礎(chǔ)上 , 提出涂層微結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計。 [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

10、版社 ,1997 。 [3]S1Kamat,X1Su,BallariniR,A1H1Heuer,Structuralbasisfor thefracturetoughnessoftheshelloftheconchstrombusgigas,Nature,2000,205(29):1036 ?10401 [4] 藍(lán)偉明 , 汪久根 , 李興林 , 仿竹涂層的設(shè)計及其應(yīng)力 , 潤 滑與密封，2002,(1):10 ?11。 [5]R1Skalak,S1Chien,Handbookofbioengineering,London: McGraw2HillBookCo1,19861 [6

11、]A1M1Wilson,M1P1McGuigan,A1Suetal1,Horsesdampthe springintheirstep,Nature,2001,414:895 ?8991 [7] 黃純穎 , 高志 , 于曉紅等 , 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計 , 北京 : 高等教 育出版社 ,2000 。 [8]J1Janecki,J1Drabik,E1Pawelec,Ecologicalgreases,Proc1of 2ndWorld Conf1onTrib1,2891 [9]R1B1Waterhouse, 周仲榮等譯 ,微動磨損 , 成都 : 西南交通 大學(xué)出版社 ,1999 。 《潤滑與密封》