仿生机械结构设计

1、仿生机械结构设计仿生机械结构设计仿生机械结构设计汪久根 鄢建辉（ 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,theprincipleandmethodsofbionicdesignwerereview

2、ed1Thedampingint hehorselegswasproposedto2,andthefiberstructureswithdifferentlayersofintestines andsilkswerepresentedinbionicstodesignthesteelcables1M,thebionicmaterialstruct ures,whichmimicthePlatobodiesandKapler2Poinsotbodies,weresuggestedtodesignthecompositeco atingsystems1Keywords:MechanicalStru

3、cture BionicDesign Anti2Vibration CompositeCoatings1960 年KramerMOHd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

4、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25。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

5、矩阵结构是生物组织的两种主要结构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22 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、

6、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。2021 年第 2 期图 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

7、滑的复合涂层 , 硬质相承担载荷 , 可以得到摩图 35 钢缆的结构94 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

8、物的产生与生长, 这对环境又构成了威胁。因此 , 从 2001 年以来 JaneckiJ8 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

9、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。1 侯晖昌 , 减阻力学 , 北京 : 科学出版社,1987 。2 崔福斋 , 冯庆龄 , 生物材料学 , 北京 : 科学出版社 ,1997 。3S1Kamat,X1Su,BallariniR,A1H1Heuer,Structuralbasisforthefracturetoughnessoftheshelloftheconchstrombusgigas,Nature,2000,205(29):1036 104014 蓝伟明 , 汪久根 , 李兴林 , 仿竹涂层的设计及其应力 , 润滑与密封，2002,(1):10 11。5R1Skalak,S1Chien,Handbookofbioengineering,London:McGraw2HillBookCo1,198616A1M1Wilson,M1P1McGuigan,A1Suetal1,Horsesdampthespringintheirstep,Nature,2001,414:89589917 黄纯颖 , 高志 , 于晓红等 , 机械创新设计, 北京 :