仿生机械结构设计
仿生机械结构设计
汪久根 鄢建辉
①
(浙江大学机械系 杭州 310027)
摘要:针对机械结构的仿生设计,对目前机械结构设计中的仿生设计原理与方法进行了综述,分析了仿马腿的抗振结构、仿肠与蚕丝的分级纤维结构,并提出对目前钢缆结构的改进设计;此外还讨论了仿柏拉图体与开普勒-波因索特体的复合材料涂层结构设计。
关键词:机械结构 仿生设计 抗振 复合涂层
BionicDesignfor(University,Hangzhou310027)
Abstract:Forthe,theprincipleandmethodsofbionicdesignwerereviewed1Thedampinginthehorselegswasproposedto2,andthefiberstructureswithdifferentlayersofintestinesandsilkswerepresentedinbionicstodesignthesteelcables1M,thebionicmaterialstructures,which
mimicthePlatobodiesandKapler2Poinsotbodies,weresuggestedtodesignthecompositecoatingsystems1
Keywords:MechanicalStructure BionicDesign A
nti2Vibration CompositeCoatings
1960年KramerMO出于仿生学的考虑,提出了一
种特殊的减阻方法,他仿造出一种“人造海豚皮”,用密封的橡胶包裹着细长形物体做成了弹性覆盖层(外套),并用销钉将这一层固定在物体的表面上。在外套与物体之间充填不同粘度的液体。将这样的物体放在水中作拖曳运动时,与同体型、同尺寸的光硬壳模型相比,阻力就减小了。这使得在消耗同功率情况下运动速度能提高近一倍[1]。
自从1960年以来,仿生研究已在传感器设计、新材料设计等领域得到了广泛应用。国内对地面仿生机械的研究也取得了很大进展;作者曾在前人基础上,对竹、血管、海螺壳的微结构进行了仿生力学计算分析,设计了一种涂层结构,称其为整合涂层。事实上,自然界中的生物体已经近数亿或数十亿年的进化,存在许多巧妙的机制与结构,这些结构具有优异的性能,值得人们去模仿与学习[2~5]。
目前,有从事力学、机械学、材料学与电子学的人们研究仿生原理与结构,但对仿生学在机械机构设计中应用的研究较少见,本文拟从对比若干生物体微结构与机械的结构的设计方法中,提出对相应的机械结构进行仿生设计。1 生物体的微结构
自从生物解剖学创立以来,人们几乎已对所有生物体进行了解剖研究。解剖学发现了生物的微组织结构,层状结构与矩阵结构是生物组织的两种主要结构
①国家自然科学基金资助项目(50175099)
组织形式,此外还有螺旋、折叠等结构形式。图1为蚕丝的分级结构;图2是动物肠的分级微结构。由图可知,多级微纤维的分层结构是生物体整合高强度组织的一种手段,因此人们可以有意识地利用这一原理来设计产品结构材料。
图3是柏拉图体的5种结构;图4是4种开普勒-波因索特体的结构。如能在复合材料设计中仿造这些分子结构,则能获得高性能的复合材料。最近WilsonAM等[6]研究了马腿的纤维减振结构。
图1 蚕丝的微结构[2]
2 仿生设计的原理和方法
机械结构仿生设计的方法有原理仿生、结构仿
生、外形仿生、信息仿生和拟人仿生等[7]。仿生设计也可分为结构仿生、功能仿生与过程仿生。例如,模拟鸡蛋外形的固体润滑剂;模拟香蕉皮分子结构的固体润滑剂:二硫化钼与石墨等;模拟马腿微结构的减震器设计。
我国润滑剂与切削液的年消耗量为10万t以上。
2003年第2期
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图2 肠的分级结构[2
]
们设计的几种钢缆组成结构。如果模拟蚕丝的分级结
构,可以设计出新型的钢缆结构。同理对光纤结构也可用类似的设计。
复合涂层是表面工程现今的发展方向之一,仿照柏拉图体与开普勒-波因索特体的复合材料结构设计无疑是一种仿生设计的方法。
将球形固体润滑剂与硬质相,例如TiC,
TiN等,制成自润滑的复合涂层,硬质相承担载荷,,可以得到摩图3
柏拉图体
图5 钢缆的结构[9]
4 结论
图4 开普勒—波因索特体
润滑剂已作为滚动轴承、齿轮箱等机械零部件设计中
的一个重要元件,倍受人们关注。可生物降解的润滑剂与切削液的研究开始于1970年,至今已有部分绿色润滑剂投入使用。在绿色润滑剂的设计中,人们提出仿鱼的粘液的润滑剂设计。润滑油如菜籽油、蓖麻油与豆油都是生物润滑剂。由于这类自然润滑剂的抗氧化性能差,人们又进行了添加剂的研究,以期用添加剂来改性天然油分子的结构,从而提高其抗氧化性。另一方面,由于矿物油与合成油中含有硫、氯与磷等元素,润滑剂对微生物有一定的毒副作用,导致微生物的畸变,有毒微生物的产生与生长,这对环境又构成了威胁。因此,从2001年以来JaneckiJ[8]等提出生态润滑剂与切削液的研究。
在耐磨涂层设计方面,有模拟皮肤、海螺壳、血管壁等层状结构的仿生。另外还有模拟生物结构的矩阵结构仿生,例如修饰陶瓷分子结构的改性韧性陶瓷设计。3 机械结构的仿生设计
钢缆是矿山机械中常用的传动件,图5是目前人
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通过对几种生物体的微结构分析,提出相应的仿生设计,可以得到如下结论。
(1)仿马腿纤维的微结构是抗振结构设计新思路,仿肠与蚕丝的分级纤维结构,可以改进目前钢缆结构的设计。
(2)提出了仿柏拉图体与开普勒-波因索特体的复合涂层材料结构设计,在涂层的有限元、边界元设计方法的基础上,提出涂层微结构的仿生设计。
参考文献
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《润滑与密封》