仿生非光滑表面脱附与减阻技术在工程上的应用

生活在自然界中的生物具有生物非光滑体表。根据大量的观察和试验,发现这种非光滑表面具有减粘降阻和脱附效应,这种仿生非光滑表面减阻脱附技术被应用到了空中、水中和土壤中,得到了很好的减粘降阻与脱附效果。但是目前,对生物的这种非光滑体表还只是被动的模仿阶段,对这种现象的机理没有形成系统的认识,针对这种情况,提出今后研究工作的重点与方向是：集中研究不同非光滑表面与不同介质之间脱附与吸附的机理和对非光滑表面的量化描述。     

典型生物非光滑理论及其仿生应用

对典型的哺乳动物体表、植物表皮毛、表皮腊、土壤动物体表、水生鱼类表面的非光滑表面进行特征描述；并对非光滑类型进行分类；阐述了仿生脱附的基本理论；对其在工业、农业及航空领域应用现状及前景进行了综述。     

仿生非光滑技术在小型水田犁犁壁上的应用试验

水田犁壁田间作业时由于土壤对犁壁的粘附,导致犁耕阻力增加,降低生产效率.研究人员根据大量的观察和试验,发现自然界中的生物的非光滑体表具有优良的减粘降阻和脱附效应,并据此研究开发了仿生非光滑犁壁.通过田间测试,仿生非光滑犁壁与普通光滑犁壁相比,减阻率为7.88%～13.46%,翻垡好,碎土率高,有较好的推广前景.     

仿生非光滑水田犁壁的设计及田间应用试验

水田犁田间作业时土壤对犁壁的严重粘附,将导致犁耕阻力增加、油耗增大、耕作质量和生产效率降低。经过大量的试验研究,已发现典型土壤动物蜣螂体表的减粘降阻和脱附效应,并据此开发了仿生犁壁。在前期研究基础上,考察仿生非光滑水田犁壁面上几何非光滑结构单元的尺寸和分布对犁耕阻力的影响,进行了设计参数优化,研制出具有减粘降阻性能的仿生非光滑水田犁壁。田间对比测试表明:仿生非光滑水田犁壁与普通光滑水田犁壁相比,降低犁耕阻力15.9%~18.0%,减少油耗11.9%,提高生产率20.5%。该犁壁耕翻的碎垡率高,耕作质量良好,有较好的实际应用前景。     

仿生非光滑推土板减粘降阻的试验研究

对模拟土壤动物典型几何非光滑表面的各种形状的仿生非光滑推土板在固，液，气三相组成的土壤中，进行了减粘降阻试验研究，试验土壤为砂土，湿砂土，松散黄粘土和结构性较好的黄粘土，研究非光滑表面改变切削深度，切削角度探讨了下减粘降阻效果及非光滑表面减粘降阻机理，结果表明，在切削成垡状粘性土壤时，非光滑表面可降低阻力２５％以上，且其脱土性能比光滑板好。     

土壤动物减粘脱附机制及其在农业机械上的应用

在机械工程中，粘附问题普遍存在于以松软物料为对象或介质的地面机械工作部件上，严重影响机械的工作效率和使用寿命。多年来，人们从不同角度研究了土壤粘附的机理，提出了各种不同的假说。通过观察，人们发现一些生活在土壤中的动物，如蜣螂、蚯蚓等具有自然选择的非凡减粘脱附功能，如果能够揭示这些土壤动物减粘脱附的生物学机制，将对减粘脱附的研究和应用开辟新的途径。围绕这一问题，学者们进行了相关的研究。关于土壤动物非光滑脱附理论及其应用的研究，主要有以下几个方面。     

机械零件非光滑仿生表面加工装置创新设计

【目的】将非光滑特性应用在机械零部件表面可大幅度提升机械零部件接触表面的耐磨性,减少相对运动所带来的摩擦阻力、摩擦系数和黏附力,但目前尚无完备的加工设备能够实现对零部件表面加工出微坑使其形成非光滑表面。【方法】课题组通过分析非光滑仿生表面平整化作用、空穴减阻作用和形变减压作用的减阻机理,提出了一种机械零件非光滑仿生表面加工装置,采用结构分析、技术对比和原理研究等方法制定了机械零件表面加工装置设计方案,并对现有装置的动力机构、运动机构、加工机构、支撑机构以及夹持机构的结构形式进行了改进。【结果】该加工装置对机械零件的端面可连续加工出微坑仿生表面,并且首次可在被加工机械零件半个端面制出4个微坑,与首次加工只能形成1个或2个微坑相比,具备更加可靠的加工精度和较高的加工效率。【结论】机械零件非光滑仿生表面加工装置能够可靠固定待加工机械零件,实现精准定位导向,减少对零部件等非光滑表面加工时产生的误差,且利用此加工装置可加工出具备仿生原型结构的零部件,能够更有效延长被加工零部件的使用寿命。     

仿生凸包起垄刀表面特征参数优化设计

起垄机在作业时发现起垄刀粘附严重,为了解决在黏性土壤环境下起垄刀粘附问题,以土壤动物蜣螂头部表面非光滑凸包结构为仿生对象,通过白光干涉仪获得凸包微观结构的特征参数完成仿生起垄刀设计。基于EDEM仿真分析仿生凸包起垄刀的减粘脱附效果,探索凸包减粘机理,通过田间试验验证仿真分析的有效性。试验结果表明：仿生凸包起垄刀减粘脱附效果由小到大依次为Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ,试验结果与EDEM仿真中得到的结果相一致,验证了仿真的可靠性。其中,仿生起垄刀Ⅱ的减粘性能最好,在18.73%、22.91%、26.87%含水率下的平均粘附量相对于原型刀具分别减少了12.45%、24.64%、6.19%。研究结果可为起垄机减粘脱附仿生设计提供可行的研究方法。     

船式拖拉机凸包非光滑表面船壳减阻性能研究

为降低船式拖拉机在水田工作时的阻力,设计了一种具有凸包非光滑表面的船壳。利用有限元方法对凸包非光滑表面船壳在水田泥介质中进行数值仿真研究,计算比较凸包非光滑表面船壳和光滑表面船壳在速度0.5~4 m/s范围内的阻力值,分析其减阻机理并进一步研究凸包尺寸对减阻特性的影响规律。结果表明:凸包非光滑表面船壳有较好的减阻效果,凸包结构改变流体对船壳的粘性剪应力是其产生减阻特性的重要原因。该设计得到了减阻率达到9.33%的较好减阻效果,对船式拖拉机研究设计具有重要意义。     

土壤动物减粘脱附机制及其在农业机械上的应用

在机械工程中,粘附问题普遍存在于以松软物料为对象或介质的地面机械工作部件上,严重影响机械的工作效率和使用寿命.多年来,人们从不同角度研究了土壤粘附的机理,提出了各种不同的假说.通过观察,人们发现一些生活在土壤中的动物,如蜣螂、蚯蚓等具有自然选择的非凡减粘脱附功能,如果能够揭示这些土壤动物减粘脱附的生物学机制,将对减粘脱附的研究和应用开辟新的途径.围绕这一问题,学者们进行了相关的研究.关于土壤动物非光滑脱附理论及其应用的研究,主要有以下几个方面.     

仿生非光滑筛面近筛层微观气流场研究

以入风口角度和筛面形态为试验因素,对仿生非光滑筛面近筛层微观气流场进行了数值模拟研究,并对仿生非光滑清选筛和普通光滑清选筛进行了田间对比验证。试验结果表明：入风口角度对清选筛面上近筛层内的微观气流场基本没有影响;仿生非光滑筛面形态将筛孔间近筛层内的单个小漩涡分解为2个小漩涡,致使漩涡流线不能完全地从筛面经过,使得细小油菜物料难以与仿生非光滑筛面充分接触,起到了减粘作用;仿生凸包的减粘作用较仿生凹坑明显。     

几何非光滑典型生物体表防粘特性的研究

研究表明,几何非光滑体表是土壤动物减粘降阻的原因之一。通过对典型土壤动物蜣螂的大量观察、实验研究和表面分析,发现其体表不同部位具有不同的几何非光滑;将土壤力学与生态学相结合,还探讨了在粘湿环境中蜣螂非光滑体表与不同触土方式的关系及其对防粘特性的作用机理。     

油菜混合物与仿生筛面基体间的粘附特性

运用图像处理中的超绿特征提取与分割技术,构建油菜粘附特性测试系统,以残留粘附面积r为测量指标,引入粘附率μ和减粘率τ为衡量指标,通过粘附试验,测取并分析了油菜混合物与仿生筛面基体之间的粘附特性。试验结果表明,仿生非光滑筛面的减粘率普遍超过30%,最高达到90%,减粘作用显著;仿生凸包的减粘作用优于仿生凹坑;普通筛面的粘附程度依赖于油菜混合物的成分,而仿生非光滑筛面的粘附程度基本不依赖于油菜混合物的成分及质量比例,能在不同的收获环境与条件下保持较为稳定的减粘作用。     

基于逆向工程技术的鼹鼠前爪趾甲几何模型

利用三维激光扫描系统对鼹鼠前爪趾甲的表面进行扫描,获得趾甲腹面和背面的表面数据点云,对扫描数据精简、平滑处理后,采用点-线-面方法进行了曲面重构,最后进行了重构曲面模型精度分析.分析表明,鼹鼠前爪趾甲重构曲面模型满足精度条件,为后续的几何形态定量分析提供了模型基础.     

信鸽表面形貌的分形特性

分析了信鸽表面形貌的非光滑特性,并利用激光三维扫描控制系统获取了信鸽背部、胸部及翅膀表面的三维信息,基于分形理论对其表面进行了研究,采用计盒维数方法计算出了信鸽的背部、胸部及翅膀表面面维数和线维数,并分析了其分布。结果表明,信鸽的背部、胸部及翅膀表面均呈现分形特征,面维数范围为:2.8988～2.9788,线维数的范围为:1.0002～1.0247,信鸽表面形貌的分形特性研究为定量分析信鸽表面在空气介质中的减阻机理提供了基础信息。     

广义螺旋曲面工件轮廓度统一测量方法

对国标规定的标准螺旋曲面的测量方法进行分析,得出普通螺纹和丝杠形位误差测量方法中的共性问题。利用微分几何的曲面包络理论,结合坐标投影变换法和相对运动法对工件的曲面方程进行研究,得到了在母线曲面已知的情况下广义螺旋曲面的统一方程。通过广义螺旋曲面测量要素分析,得出异型螺旋面的测量方法。结合曲面统一方程,提出了广义螺旋面的统一测量方法。实例表明,该方法能够快速、准确地测量出对应工件的型面尺寸,避免了测量的复杂性和低效性。     

曲面局部光顺的补丁曲面检测线方法

反射线法和高亮线法是评价车身曲面质量的常用方法,提出基于补丁曲面质量检测线(反射线或高亮线)局部光顺NURBS曲面算法.利用曲面不光顺区域光顺的补丁曲面质量检测线替换原曲面质量检测线中位于补丁曲面的部分;利用修改后的曲面质量检测线及曲面不光顺区域的边界条件建立曲面局部光顺的线性方程组.根据曲面不光顺区域控制点影响曲面不光顺区域的程度对各控制点的位移量进行平滑处理.通过实例验证了算法的有效性.     

犁耕土壤表面的三维分形插值重构

利用非接触式激光地面不平度仪测量三维犁耕地面不平度,采用不同的剔除率,对剔除后的犁耕地面不平度数据进行了三维分形插值重构,使用统计特性参数及分形特性参数对原始测量的犁耕地面不平度与插值重构后的犁耕地面不平度进行对比分析。研究结果表明:在剔除率小于80%的前提下,使用三维分形插值方法可重构出三维犁耕土壤表面,真实表达了原始的三维犁耕表面;并可得出犁耕土壤不平度的纵向无标度区间为459 mm,横向无标度区间为23 mm。这对三维犁耕地面不平度的最小测量间距提供了理论依据,为三维犁耕地面不平度重构提供了实用方法。     

轴流式水轮机叶片曲面重构技术

详细讨论了散乱点云数据采集、点云数据的预处理、点云三角化、采用NURBS为基础的曲面重构方法以及曲面光顺与精度检测等方面内容,为具有自由曲面特征的叶片类部件提供了曲面重构流程.针对基于散乱数据的轴流式水轮机叶片外形曲面重构问题,在阐述模型重构过程基本理论的基础上,根据曲面特征进行区域分块,提出了基于流线和轴面截线构造矩形域曲面片的方法,获得了符合设计要求的叶片实体模型.研究结果表明：该方法重构的数字化模型具有良好的光顺性和精确性,为后续作业奠定了基础,为逆向工程技术应用于流体机械行业提供了客观依据.