拉扭耦合作用下柱形纤维与基底的界面黏附性能研究

受壁虎刚毛可逆黏附性能的启发,本文建立了单根弹性圆柱纤维与刚性基底黏附接触的理论和数值模型,同时考虑了拉伸和扭转载荷的耦合作用及纤维半径对界面黏附性能的影响.研究发现耦合载荷作用下柱形纤维同样存在一个临界半径,当纤维半径小于该临界尺寸时,界面应力达到均匀的理论强度分布,接触边界应力集中消失,出现缺陷不敏感现象;当纤维半径大于该临界尺寸时,界面以裂纹扩展而失效.在耦合载荷作用下纤维的临界半径小于纯拉伸而大于纯扭转时的临界尺寸,且该临界半径随着施加扭转载荷的增大而减小.表明在纯拉伸载荷下使界面黏附强度达到最优的柱形纤维,在拉伸和扭转载荷耦合作用下,由于界面失效形式的转变使界面易发生脱黏,并且界面脱黏时的拉脱力随着扭转载荷的增大而减小,理论和数值结果一致.本文结果进一步应用揭示了壁虎可以通过调控施加在其最小黏附单元上的载荷形式实现纯拉伸载荷下强黏附及耦合载荷下易脱黏的力学机制.     

生物黏附与黏附力学的进展

介绍了动物及昆虫黏附能力及黏附系统的实验研究，重点介绍了力学仿生动物 及昆虫的黏附能力及黏附系统的研究工作. 还简单介绍实验室仿生制备及仿生黏附潜在 的用途，并对仿生黏附力学新的研究方向提出建议.     

一类蚂蚁黏附系统的实验研究

以家蚁为研究对象, 利用扫描电镜、光学显微镜等仪器对其足部微观黏附结构进行了实验观 察, 研究了家蚁在洁净玻璃板上爬行的黏附机理, 并观察了不同表面粗糙度、倾斜度的玻璃 板及蜡表面上蚂蚁的爬行行为. 实验结果表明此类蚂蚁的黏附主要依赖于足部缩放自如的囊 状中垫. 玻璃板粗糙度及倾斜度对蚂蚁爬行行为无明显影响, 而随着蜡表面倾斜度的增大, 家蚁的黏附爬行能力逐渐降低, 最终在一定倾斜度的蜡表面黏附失效.     

轻与巧的完美结合: 缨甲飞行的秘密

通过实验手段, 重构了缨甲飞行的三维形态学和运动学模型. 利用计算流体力学 (CFD) 分析, 成功地揭示了缨甲超强飞行能力的秘密.      

干燥环境下表面黏附性能调控研究进展

实现黏附可控是解决微/纳机械产品黏附失效问题和发展先进黏附材料及新型微操作/微装配技术等的有效途径. 基于该研究背景,针对干燥不带电系统,对近年来发展的几类黏附调控方法进行了综述,从表面改形、材料改性及外场控制三方面介绍了织构、涂层/薄膜和复合材料、速度、温度、外力和磁场在黏附调控方面的研究进展,分析和总结了各类方法的黏附调控机理、关键影响因素和特点,并指出了应用领域,介绍了多手段复合调控黏附方法的最新研究成果. 最后,探讨了当前黏附调控方面存在的问题和未来可能的发展方向.      

磁场力及膜曲率对磁敏感薄膜-基底界面 黏附性能的影响与调控

界面黏附和脱黏的可调控在攀爬装置、黏附开关、机械抓手等方面具有重要的应用需求. 针对磁敏感薄膜-基底界面, 开展了薄膜初始曲率及外加磁场对界面黏附性能影响机制的研究. 首先实验制备了具有初始曲率的磁敏感薄膜, 分别开展了具有初始曲率的磁敏感薄膜-基底界面撕脱实验及理论研究, 研究了薄膜初始曲率、弯曲刚度和外加磁场强度对界面黏附性能的影响规律. 实验和理论结果一致表明: 具有初始曲率的磁敏感薄膜-基底界面黏附力随薄膜初始曲率的增大而减小, 而外加磁场能够有效提高界面黏附力;相比于初始零曲率薄膜-基底界面稳态撕脱力与薄膜弯曲刚度无关, 薄膜弯曲刚度减弱了具有初始曲率薄膜-基底界面的稳态撕脱力. 进一步从能量角度分析了界面等效黏附性能, 揭示了薄膜弯曲能、磁场势能、界面黏附能的相互竞争机制. 最后, 基于本文的实验及理论结果, 提出了一种磁场和薄膜初始曲率协同调控的简易机械抓手, 可连续实现物体的拾取、搬运和释放功能. 本文结果不仅有助于理解多场调控的界面可逆黏附机制, 对界面黏附可控的功能器件设计亦提供了一种新方法.      

壁虎粘附微观力学机制的仿生研究进展

本文针对壁虎粘附系统最小单元的真实形状, 类似于有限尺寸纳米薄膜的铲状纤维, 综述了对其微观粘附力学机制主要影响因素的多个研究, 主要考虑了有限尺寸纳米薄膜长度、厚度、撕脱角等对撕脱力的影响; 物体表面粗糙度以及环境湿度等对粘附的影响因素; 包括实验、理论及数值模拟的研究及结果比较. 最后给出仿生粘附力学方向仍然存在的主要科学问题及进一步的研究展望.     

聚氨酯丝与PET丝摩擦磨损性能的试验研究

在自制多功能粘着摩擦磨损性能试验台上进行仿壁虎刚毛用聚氨酯和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)2种丝材的摩擦性能对比试验,在不同正压力下悬臂梁带动上试样丝以45°夹角相对下试样丝滑动,安装在悬臂梁上的二维传感器同时将正压力和摩擦力电信号输送计算机进行处理,计算得到摩擦系数平均值.结果表明:当法向压力处于0.5～2.0 mN范围内时,聚氨酯丝的平均摩擦系数为4.22;当法向压力在0.2～1.0 mN范围内时,PET丝的平均摩擦系数为0.29,前者为后者的14倍.高表面能引起的粘着为聚氨酯摩擦系数较高的主要原因.试验结果为仿壁虎机器人脚掌刚毛材料的选择与制备提供了依据.     

倾斜仿生刚毛的设计?制备及黏附性能研究

依据JKR理论,从几何仿生角度出发设计并制备了2种具有斜截面的倾斜人工刚毛.理论计算表明:刚毛支杆倾斜20°,斜截面为45°时,刚毛具有较为理想的黏附性能,且具有这种结构的刚毛可便利地调控吸附和脱附.利用微摩擦试验机测试了人工刚毛表面的黏附性能,结果表明:在无滑移的平面接触下,刚毛阵列的黏附力随法向载荷增加而增大,当法向载荷超过一定值后,黏附力增加缓慢并趋于饱和;法向载荷为30mN时,刚毛无滑移卸载所产生黏附强度约为2.4kPa,略高于逆向滑移后卸载所产生的黏附强度2.2kPa,而正向滑移后卸载所产生的最大黏附强度较逆向滑移后卸载有明显增加,达3.1kPa,增加了近41%;短距离的滑移可增加黏附力,但随着滑移距离加大,黏附力随之下降.     

PROGRESS IN THE BIONIC STUDY ON GECKO＇S MICRO-ADHESION MECHANISM

本文针对壁虎粘附系统最小单元的真实形状, 类似于有限尺寸纳米薄膜的铲状纤维, 综述了对其微观粘附力学机制主要影响因素的多个研究, 主要考虑了有限尺寸纳米薄膜长度、厚度、撕脱角等对撕脱力的影响; 物体表面粗糙度以及环境湿度等对粘附的影响因素; 包括实验、理论及数值模拟的研究及结果比较. 最后给出仿生粘附力学方向仍然存在的主要科学问题及进一步的研究展望.     

一类功能梯度材料表面接触力学研究进展

针对一类杨氏模量梯度变化的功能梯度材料, 考虑摩擦、微动磨损和黏附等因素, 综述了梯度材料有限尺寸、梯度变化规律、梯度涂层厚度、界面摩擦热、压头形状等对表面接触力学性能的影响; 根据不同接触模型中接触界面应力场分布, 分析多种因素影响下功能梯度材料表面抵抗磨损的能力; 最后给出了功能梯度材料接触力学研究中仍存在的主要科学问题及进一步研究展望.      

碳纳米管增强镍基复合镀层的形貌及摩擦磨损行为研究

利用碳纳米管作为增强相制备了镍基复合镀层 ,并对其表面形貌和摩擦磨损性能进行了探讨 .结果表明 :碳纳米管均匀地嵌镶于基体中 ,且端头露出 ,覆盖于基体表面 ;镍基复合镀层具有优良的耐磨性和自润滑性 ,可以显著改善金属表面的耐磨和减摩性能 ;复合镀层优良的耐磨和减摩性能归因于碳纳米管的超强超韧特性和自润滑性能 ,碳纳米管以网络和缠绕形态分布于复合镀层基体中 ,使复合镀层在摩擦磨损过程中不易脱落拨出     

2011-2封面图片说明

位于我国浙江舟山的西堠门大桥: 该桥主跨跨径1~650 m,是目前世界上最大跨度的钢箱梁悬索桥. 由于舟山地区台风频发,为保证西堠门大桥的颤振稳定性, 大桥采用了分体式双箱断面钢箱梁,是以中央开槽技术解决大跨径悬索桥颤振稳定性问题的首次实践.其颤振临界风速达到88 m/s, 这就意味着,17级超强台风下西堠门大桥也能安然无恙.详见郭增伟、葛耀君、张冠华文(p123).      

Helmholtz边界积分方程中奇异积分间接求解方法

提出了间接求解传统Helmholtz边界积分方程CBIE的强奇异积分和自由项系数,以及Burton-Miller边界积分方程BMBIE中的超强奇异积分的特解法。对于声场的内域问题,给出了满足Helmholtz控制方程的特解,间接求出了CBIE中的强奇异积分和自由项系数。对于声场外域对应的BMBIE中的超强奇异积分,按Guiggiani方法计算其柯西主值积分需要进行泰勒级数展开的高阶近似,公式繁复,实施困难。本文给出了满足Helmholtz控制方程和Sommerfeld散射条件的特解,提出了间接求出超强奇异积分的方法。推导了轴对称结构外场问题的强奇异积分中的柯西主值积分表达式,并通过轴对称问题算例证明了本文方法的高效性。数值结果表明,对于内域问题,采用本文特解法的计算结果优于直接求解强奇异积分和自由项系数的结果,且本文的特解法可避免针对具体几何信息计算自由项系数,因而具有更好的适用性。对于外域问题,两者精度相当,但本文的特解法可避免对核函数进行高阶泰勒级数展开,更易于数值实施。     

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研究2008奥运工程------鸟巢工程中大体积混凝土的凝固温度应力及其预防 技术. 采用有限元法分析混凝土构件凝固过程中的温度应力,并结合实际工程给出了混凝土 收缩应变、徐变应变以及应力边界条件的处理方法. 基于对大体积混凝土的温度应力进行数 值模拟,对于预防混凝土开裂和超强区的养护措施提出了最佳解决方案,大幅度节省了时间、 降低了实测成本、保证了工程质量.     

基于神经网络的机械磨损故障光谱定位诊断法

在分析常用光谱定位诊断方法的基础上提出了基于神经网络的光谱定位诊断法；将机械摩擦副材质的元素含量作为神经网络输入，将材质所对应的部件作为神经网络输出，建立了相应的神经网络训练样本；通过整理训练样本和训练神经网络，利用神经网络超强的非线性映射能力和容错性实现了磨损故障部位诊断；通过算例分析验证了所提出的诊断方法的可行性和准确性．结果表明，所建立的方法简洁有效，并具有很高的诊断精度．     

关于轻敲式原子力显微镜动力学系统中能量耗散的研究

原子力显微镜是一种典型的微纳谐振器,其核心部件是一个对微弱力极敏感的微悬臂梁探针,当它在不同的环境工作时,存在着各种不同形式、不同性质的能量耗散,这些能量耗散与系统的相位图像有着密切的联系.在众多的耗散机制中,只有针尖与样品的黏附接触耗散才能真正反映样品的性质,其他耗散会降低黏附接触耗散在系统总耗散中的占比,使得图像中的有效信息被削弱.因而,明确其他耗散对系统品质因数的量级贡献是十分重要的,这有助于提高图像的品质.为了研究这些耗散,本文根据耗散机理产生的原因对不同的能量耗散进行了细致的分类,系统总结了各种能量耗散的类型.之后,通过理论、实验和仿真的方法探究了在不同环境下、不同位置处微悬臂梁探针的能量耗散,明确了不同耗散对系统品质因数的量级贡献.然后,对于不同流体环境下的能量耗散,对比了它们的作用机理及量级大小.最后,对于在大气环境下工作的原子力显微镜探针,研究了它在振动过程中从高于样品表面到下降并接触样品这一连续过程中不同阶段存在的能量耗散,分析表明,在这些能量耗散中对系统品质因数影响最大的是由空气引起的耗散,包括空气黏性阻尼,压膜阻尼及液桥耗散.     

细胞膜间的波动力

由热扰动引起的细胞膜间的波动力调控着大量的生物功能, 如细胞黏附、细胞融合、细胞膜结合与解离的转换以及细胞膜的自组装.因此, 研究细胞膜间的波动力及其规律是生命科学研究中重要的基础之一.鉴于波动力在大量细胞进程中发挥的重要作用, 自其被提出的40年间备受关注. 然而, 作为当前的研究热点, 对于细胞膜波动力的作用规律仍存争论.本文首先简述了细胞膜间的波动力以及相关研究的发展历程; 在此基础之上, 分别对近期引发争议的两种主要的波动力理论以及目前关于波动力的最新研究进展进行了详述, 分析讨论了不同波动力理论的差异, 为后续研究提供参考借鉴; 最后, 总结和展望了该领域的研究热点以及未来研究趋势.      

细胞膜间的波动力

由热扰动引起的细胞膜间的波动力调控着大量的生物功能,如细胞黏附、细胞融合、细胞膜结合与解离的转换以及细胞膜的自组装.因此,研究细胞膜间的波动力及其规律是生命科学研究中重要的基础之一.鉴于波动力在大量细胞进程中发挥的重要作用,自其被提出的40年间备受关注.然而,作为当前的研究热点,对于细胞膜波动力的作用规律仍存争论.本文首先简述了细胞膜间的波动力以及相关研究的发展历程;在此基础之上,分别对近期引发争议的两种主要的波动力理论以及目前关于波动力的最新研究进展进行了详述,分析讨论了不同波动力理论的差异,为后续研究提供参考借鉴;最后,总结和展望了该领域的研究热点以及未来研究趋势.     

一类两自由度干摩擦系统倍化分岔与混沌的数值模拟

本文利用Runge-Kutta数值积分法对一类两自由度干摩擦系统进行了数值仿真.文中列出了该系统中质块与传送带间处于黏附与滑移两种不同状态时质块的运动方程,同时给出了两种状态间的转换条件,在此基础上对系统进行数值模拟.通过不断变化传送带的速度对该系统的动力行为进行了分析,证实此系统存在稳定的周期运动及倍化分岔,得到了该系统周期运动的倍化分岔通向混沌的路径.对此系统分岔与混沌行为的研究为生产实践中的干摩擦现象的优化配置提供了理论依据.