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.     

水下吸声机理与吸声材料

随着我国加速实施海洋强国战略,对先进水下吸声材料的需求日益迫切.与空气吸声不同,水下的高静水压力和复杂的海洋环境对水下吸声材料提出了更为苛刻的要求.吸声问题的本质是如何将弹性能高效地转化为热能或其他形式能量.本文综述了主要以聚合物分于内摩擦机制及界面耗能机制为基础的传统水下吸声材料.传统水下吸声材料面临的主要是其在低频及高静水压力下吸声性能差的问题.这是因为:一方面受质量密度定律的限制,有限厚度的水下吸声材料无法有效吸收水中传来的低频声波;另一方面,在高静水压力下,弹性材料如高分于聚合物会变"硬",从而大大降低了声波弹性能的转换效率.随着局域共振理论及超材料概念的提出,发展出了一系列新型水下吸声材料,为解决水下吸声材料遇到的难题提供了新思路.局域共振理论的特点是可以用小尺度结构控制长波声波的传播,从而可以解决低频吸声问题.本文重点综述了局域共振理论,以及由此发展出的声于木堆、声于玻璃等新型水下吸声材料.声于玻璃材料在局域共振理论基础上,通过引入多孔金属骨架结构提高了材料的抗压性能,从而解决了高静水压力下材料吸声性能变差的问题.本文最后对水下吸声材料未来发展方向进行了展望.     

仿鸡脖子刚柔耦合结构的仿生机理及大变形建模

观察表明,禽类颈部普遍具有刚柔耦合的特点,在运动过程中,可以辅助身体运动,使得头部产生大变形.在机器人、航空航天等领域普遍需要具有大变形、变刚度等特征的结构实现相关功能.受禽类脖子结构的启发,提出了一种仿鸡脖子刚柔耦合结构,阐明仿鸡脖子的仿生机理并建立大变形模型.首先,从鸡颈部的生物解剖出发,发现仿鸡脖子结构势必具有多自由度刚柔耦合的特征,因此,根据鸡脖子骨骼的构型构造出单节仿生标准单元,根据肌肉的连接方式厘清节间弹性连接,建立起仿鸡脖子刚柔耦合结构的力学模型;然后,通过定义连接矩阵描述节间弹性元件的分布和作用,由此得到任意运动下的标准单元的力平衡方程;最后,选取了几种具有代表性的工况,通过有限元分析验证理论建模方法的准确性并展示结构的非线性变刚度特征;在4种典型平面弯曲工况下得到不同变形与发力肌肉群的对应关系.文章提出的仿鸡脖子刚柔耦合结构建模具有仿生机理清晰、适合大变形计算及结构具有非线性刚度特征等特点,也解释了禽类颈部变形机理.     

动物进化的抗冲击策略及其仿生机理研究

经过长期的自然选择,自然界中的动物已经进化出各种各样高效的、可靠的、适应性强的抗冲击策略和机体防护机制,抵抗来自周围复杂环境的碰撞和冲击载荷,保护生物外部结构和内部器官在进行激烈生物活动时不受伤害.相比传统工程防护结构,这些天然的生物防御系统具有优异的抗冲击特性、高效的能量耗散效率以及可重复使用等特征.因此,近年来,关于探索生物及其仿生机理的研究越来越受到广大学者的关注.本文作者结合近期在该领域的研究成果,综述了自然界各类动物的抗冲击策略与身体防护机制及其相关仿生设计与应用的最新研究进展.特别地,我们归纳分析和讨论了面对不同载荷环境时生物抗冲击结构独特的进化过程和非凡的力学性能,并且介绍了相关的抗冲击仿生应用研究.最后,讨论了动物抗冲击策略与防护机制及其仿生应用研究的挑战和未来发展方向.本文可为研究人员和工程师提供有效的数据资料,为可重复使用能量吸收装置及其飞行器结构的抗冲击与防护设计提供有益借鉴和仿生依据.     

多自由度仿生推进系统的CPG控制

为了提高航行稳定性和机动性而设计的四尾鳍组合推进水下航行器,尾鳍运动自由度众多且相互耦合,稳定且快速的控制方案对提高航行器的整体性能至关重要。本文根据尾鳍运动特点,建立了中枢模式发生器(CPG)模型,协调控制8个驱动舵机,实现巡游、倒退、偏航、俯仰等各种航行状态下尾鳍的组合运动;通过陀螺仪监测航行器的偏航角与俯仰角,形成反馈信号引入CPG模型,对尾鳍运动进行反馈控制,进一步提高了航行稳定性。     

自然复合材料的强韧化机理和仿生复合材料的研究

本文评述了一个新的研究方向─—自然复合材料强韧化的细观机理及其仿生复合材料的研究。着重考察了木、人骨、贝壳珍珠层、昆虫外骨骼及翅等自然复合材料的研究现状,基于这些研究,部分仿生材料已被设计和制造出来并达到商用程度．复合材料在细观层次的仿生,是将对复合材料及其结构设计产生潜在冲击的重要发展方向．      

基于仿生人工关节的评价装置及磨损试验研究

基于仿生人工关节结构,利用连杆机构模拟关节弯曲/拉伸运动方式建立了仿生人工关节评价装置,同时对以小牛血清作为润滑介质的氧化锆-超高分子量聚乙烯(ZrO-UHMWPE)人工关节配副进行磨损性能测试.结果表明:所建立的装置不仅可以加速考察人工关节配副的磨损特性,还能够加速评价仿生关节囊的动态疲劳性能,同时实现转速、载荷以及运动角度等参数可调并具有较强可操作性; UHMWPE的磨损量与运动周期近似呈线性关系,UHMWPE的体积磨损率相对稳定,约为70～80 mm3/106周期,且具有较好的重复性与可靠性.     

中低速下干气密封型槽仿生改进研究

为解决干式气体端面密封在中低速或启动停车阶段密封性能不稳定的问题,在现有螺旋槽端面型槽结构的基础上借鉴仿生学设计方法提出了仿生多流通道螺旋槽干气密封端面结构.基于气体润滑理论模型,采用数值分析方法计算了气体端面气膜压力控制方程-雷诺方程,研究对比了普通螺旋槽和多流通道槽的端面压力分布.在改变操作参数和端面气膜厚度的条件下分析对比了普通螺旋槽和多流通道槽两种干气密封的开启力,泄漏率,刚度和刚漏比的变化规律,并研究了槽的通道数对密封性能的影响规律.结果表明:中低速下多流通道细长螺旋槽具有高的稳定性和好的密封性,汇流槽在增加密封稳定性的同时可降低泄漏率.     

新型人工关节仿生润滑系统设计及滑液摩擦学特性研究

通过摩擦学系统分析，指出了目前人工关节无润滑系统的结构缺陷．为解决此缺陷，提出了一种包括生物滑液、人工关节摩擦配副和仿生关节囊的新型人工仿生关节摩擦学系统结构，并对系统设计以及其改善现有人工关节系统润滑的潜在优越性进行了讨论．采用销-盘摩擦磨损试验机对影响人工关节仿生润滑系统摩擦学性能的滑液进行了模拟试验前的快速初步评价．结果表明，滑液可显著改善人工关节副的摩擦学特性，但其效果同系统条件及其结构元素有关．在研制仿生滑液和设计其摩擦学特性模拟试验方法时，必须结合这些影响因素进行设计和试验．     

多组份硅橡胶基末端膨大二级结构粘附性能研究

本文在前期工作基础上,在仿生刚毛一级结构末端固化1层粘附层,制备出末端膨大二级结构,用UMT测试其粘附性能。结果表明：正向滑移单根阵列支杆产生的切向力为5.3 mN,5倍于一级结构的刚毛;末端膨大结构的粘附层因材料组份的不同,其粘附阵列产生的切向粘附力明显不同;倾斜的末端膨大二级结构具有各向异性的粘附特性,正向滑移产生的切向力是逆向滑移的切向力的3.5倍。     

粗糙表面的黏着试验研究

在微机械电子系统中,表面粗糙峰的几何特征、尺寸以及形状等对表面黏着以及摩擦特性有重要作用.为了研究粗糙度对黏着力的影响,首先用KOH溶液腐蚀硅片,得到8个粗糙度不同的样品.使用原子力显微镜(AFM)来测量样品的黏着力.分别使用两种探针来模拟不同的接触几何,第一种探针针尖为一个2μm左右的平台,另一种探针为尖探针.试验分别在干燥的手套箱内以及在空气中进行.在样品表面随机选取15个测量点,每个点测量50次,然后根据计算值,确定平面的平均黏着力以及标准差.并与Robinovich模型的计算结果作比较.结果显示:当粗糙度较小的时候,随着粗糙度增大,黏着力下降很快,这与Robinovich模型变化趋势较吻合;当粗糙度较大时,随着粗糙度增大黏着力略有增加,但不是很明显,与Robinovich模型相差较大.     

含铝炸药水下滑移爆轰实验研究

为了研究含铝炸药水中爆炸近场范围内沿装药径向的冲击波特性及爆轰产物的膨胀规律,设计了水下滑移爆轰实验装置。采用高速扫描相机和阴影照相技术记录了一种RDX基含铝炸药的水下滑移爆轰过程,获得了清晰的水下滑移爆轰过程的扫描图像。通过对图像进行分析,得到了水中爆炸近场范围内沿装药径向冲击波的传播迹线及爆轰产物气泡的膨胀迹线,进而分析出冲击波传播速度、阵面压力及爆轰产物气泡的膨胀位移等参数的变化规律。此外,根据气泡的膨胀迹线,标定了该含铝炸药爆轰产物的JWL状态方程参数,并将其与Φ50mm圆筒实验确定的参数值在p-V图上进行了对比。结果显示,两者偏差较小,证实了该方法的可行性。     

水下航行器通气超空泡生成与维持实验研究

超高速水下航行器通气系统工作时需采用多级通气流量.为获得通气流量的设计依据,在西北工业大学高速水洞进行了超空泡生成和维持、通气流量突变对空泡形态影响的系列实验研究.实验结果表明:生成超空泡的通气流量与维持相应空泡形态的通气流量相差很大,就本次研究所选的模型而言,前者是后者的2.616倍左右;通气超空泡生成速度与航行器速...     

风洞中灰尘在不同特性玻璃表面上粘附形貌和粘附程度的实验研究

为探究室外环境中玻璃上灰尘的形貌特征和粘附程度,本研究选择三种生活中常见的玻璃安装的角度以及三种不同特性的玻璃,利用风洞实验可控环境条件和实验参数的特性,通过工业相机拍摄得到灰尘在玻璃上的粘附形态．本方法解决了过去玻璃积灰实验周期长、难定量、误差大的问题,并利用改进的区域自适应阈值图像识别算法,分别得到不同角度下玻璃上灰尘的总数、灰尘粒径大小、不同粒径灰尘的占比、灰尘平均长轴长度等．结果表明：相同时间内,同种角度下没有涂层的玻璃比有涂层的玻璃更易吸附灰尘,且没有涂层玻璃上面积较大的灰尘更不容易脱落．同种玻璃,放置角度越大,灰尘数量越多．同种玻璃上颗粒物面积大于15 μm2灰尘颗粒数量占灰尘总数的41.9 %左右．所有实验组玻璃上的灰尘平均长轴长度均在11~18 μm之间,灰尘的长宽比均分布在1.34 上下．此项研究可为定量研究玻璃积灰奠定基础,并为工业领域中玻璃防尘、除灰技术等提供技术参考．     

烟火药水下燃烧气泡的实验研究

为探讨烟火药水下燃烧的声辐射机理,基于气泡的瞬时性,采用高速摄影和录像的方法对烟火药水下燃烧气泡的整个物理过程进行了试验研究.发现烟火药水下燃烧过程可分为气泡形成、上浮、破裂成气泡云以及气泡云的水面破裂喷涌四个阶段.随着燃烧速度的增加,气泡演变更加剧烈,出现了合并现象,同时所辐射的噪声也随之增大.气泡上升的过程中并不是完整的球形,且总体上由于气泡体积的变化受力不均而呈曲线形上升.     

Separation and Turbulence Control in Biomimetic Flows

The study of the flow around live marine animals and robotic mechanisms which emulate fish motion has revealed a number of mechanisms of flow control, optimised through evolution to minimize the energy required for steady and unsteady motion underwater. We outline some of the mechanisms used to (a) eliminate separation, (b) reduce turbulence, and (c) extract energy from oncoming vortical flows.     

飞行和游动的生物力学与仿生技术--香山科学会议第214次学术讨论会介绍

在隆重纪念香山科学会议举办十周年之际,香山科学会议第214次学术讨论会于2003年10月21日-23日在北京香山饭店举行.本次讨论会的主题是“飞行和游动的生物力学与仿生技术”.出席讨论会的代表42人,包括来自高等院校和中国科学院、航天科技集团等有关研究所的专家、学者,以及有关部门的科技管理专家.讨论会的执行主席为童秉纲院士和崔尔杰院士. 20世纪末,各种先进微型制造技术、微机电系统、微电子和一体化技术有了迅速发展.在此基础上,人们提出了微     

Experimental Study on Bubble Movement Characteristics during Underwater Pyrotechnic Combustion

High-speed photography was used to study bubble movement characteristics during underwater pyrotechnic combustion. The results show that bubble behaviors include bubble formation at the nozzle, departure from the nozzle, bubble coalescence, and bubble breakup. Compared with cavitation bubbles and fluidization bubbles, the nozzle bubbles formed during underwater pyrotechnic combustion feature larger diameters, up to centimeters, and darker, and more irregular shapes. During large bubble coalescence, two bubbles approach each other, generate a channel for transfer of mass and heat, and finally coalesce. The bubbles contain high-temperature gases and solid residues generated during pyrotechnic combustion, which lead to non-uniform forces on the bubble surface and make the bubbles more prone to breakup. Because of the high-temperature solid grains, the surrounding liquid vaporizes to form bubbles.     

水下爆炸焊接和压实

回顾了水下爆炸在军事海战和经济建设方面的应用,并且探索了水下爆炸在工业方面的发展。结合水下冲击波独特的性能,提出了水下爆炸焊接和水下冲击波压实粉末混合物2种加工方法。焊接试样显微组织中典型的波状界面表明水下冲击波对于脆性和薄片材料具有很好的焊接效果。粉末混合物在水下冲击波加载作用下能形成致密体。利用水下冲击波,在纯铜表面制备出了性能优良的弥散强化涂层。涂层内部弥散颗粒分布均匀,高硬度显示了优良的机械性能。     

Experimental Study of Pore-Scale Mechanisms of Carbonated Water Injection

Carbon dioxide (CO₂) injection is a well-established method for increasing recovery from oil reservoirs. However, poor sweep efficiency has been reported in many CO₂ injection projects due to the high mobility contrast between CO₂ and oil and water. Various injection strategies including gravity stable, WAG and SWAG have been suggested and, to some extent, applied in the field to alleviate this problem. An alternative injection strategy is carbonated water injection (CWI). In CWI, CO₂ is delivered to a much larger part of the reservoir compared to direct CO₂ injection due to a much improved sweep efficiency. In CWI, CO₂ is used efficiently and much less CO₂ is required compared to conventional CO₂ flooding, and hence the process is particularly attractive for reservoirs with limited access to large quantities of CO₂ (offshore reservoirs or reservoirs far away from inexpensive natural CO₂ resources). This article describes the results of a pore-scale study of the process of CWI by performing high-pressure visualisation flow experiments. The experimental results show that CWI, compared to unadulterated (conventional) water injection, improves oil recovery as both a secondary (before water flooding) and a tertiary (after water flooding) recovery method. The mechanisms of oil recovery by CWI include oil swelling, coalescence of the isolated oil ganglia and flow diversion due to flow restriction in some of the pores as a result of oil swelling and the resultant fluid redistribution. In this article the potential benefit of a subsequent depressurisation period on oil recovery after the CWI period is also investigated.