仿生机械结构设计

仿生机械结构设计

①

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

Bionic Design for Mechanical Structures

Wang Jiugen Y an Jianhui

(Dept 1of Mechanical Engineering ,Z hejiang University ,Hangzh ou 310027)

Abstract :F or the bionic design of mechanical structures ,the principle and meth ods of bionic design were reviewed 1The dam ping in the h orse legs was proposed to design the anti 2vibration devices ,and the fiber structures with different layers of intestines and silks were presented in bionics to design the steel cables 1M oreover ,the bionic material structures ,

which mimic the Plato b odies and K apler 2P oins ot b odies ,were suggested to design the com posite coating systems 1

K eyw ords :Mech anical Structure Bionic Design A nti 2Vibration Composite Coatings

1960年K ramer M O 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

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W ilson A M 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。

5

32003年第2期

①国家自然科学基金资助项目(50175099)

图2　肠的分级结构[2

]

图3　

柏拉图体

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Janecki J [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

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T iC ,

T iN 等,制成自润滑的复合涂层,硬质相承担载荷,软体润滑剂起润滑作用,可以得到摩擦学性能很好的新的涂层设计方案。

图5　钢缆的结构[9]

4　结论

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

[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。[3]S 1K amat ,X 1Su ,Ballarini R ,A 1H 1Heuer ,S tructural basis for

the fracture toughness of the shell of the conch strombus gigas ,Nature ,2000,205(29):1036～10401

[4]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。

[5]R 1Skalak ,S 1Chien ,Handbook of bioengineering ,London :

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[6]A 1M 1W ils on ,M 1P 1M cG uigan ,A 1Su et al 1,H orses dam p the

spring in their step ,Nature ,2001,414:895～8991

[7]黄纯颖,高志,于晓红等,机械创新设计,北京:高等教

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[9]R 1B 1W aterhouse ,周仲荣等译,微动磨损,成都:西南交通

大学出版社,1999。

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3《润滑与密封》