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。     

蔬菜花粉壁非光滑表面微结构及其仿生脱附

采用电镜扫描SEM对22个科62个属111种蔬菜植物孢粉壁表面结构进行观察分析，选出其中典型8个科10个属11个种的非光滑结构并进行特征描述；对蔬菜花粉壁非光滑微表面具有的脱附功能进行分析，不仅丰富了生物脱附理论，同时可为发展仿生绿色清洁技术提供理论依据及有益信息。     

波纹形非光滑推土板减粘降阻的简化力学模型

针对粘性土壤提出了一个简化力学模型,数值模拟了具有一定粘性的土壤与波纹型推土板之间的作用力。数值计算结果显示,在通常的力学条件下波纹板与土壤的接触面积小于相应的平板面积,可以达到减粘降阻的目的。计算了波纹板表面的压力分布,并指出在土壤与农机具粘附系统中波纹形表面摩擦力最大的位置。     

生物非光滑耐磨表面仿生应用研究展望

指出生物非光滑耐磨表面现象的普遍性,对贝壳、牙齿等天然生物耐磨表面几何形态特征进行分析,介绍了生物非光滑耐磨技术在缸套、轧辊、耐磨涂层等方面应用研究的进展情况。同时,对仿生非光滑耐磨理论与技术研究中存在的问题及发展趋势进行分析与展望。     

蚯蚓非光滑体表减粘降阻试验

以赤子爱胜蚓为研究对象,根据其运动特性,制备了头部静息态、舒张态、收缩态及体部静息态、舒张态、收缩态6种体表试样;利用微粘附力测试系统,对蚯蚓体表试样和钢试样进行土壤粘附力和滑动阻力试验.试验结果表明,蚯蚓体表试样的减粘降阻效果由大到小依次是收缩态、静息态、舒张态;而且,头部减粘降阻效果比体部明显;在试验条件下,头部收缩态的土壤粘附力和滑动阻力分别为钢试样的25%和61%,而体部收缩态的土壤粘附力和滑动阻力分别为钢试样的44%和71%.     

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.     

信鸽羽毛非光滑表面形态学及仿生技术的研究

用电视摄像体视显微镜和电子扫描显微镜对不同部位的鸽羽毛表面形态观察研究表明:信鸽的羽毛呈现典型柔性非光滑形态,飞羽和尾羽的羽枝羽轴构成凸起的脊,羽小枝交叠构成凹陷的沟槽,脊与沟槽相间平行均匀沿主羽轴放射状分布。信鸽初级飞羽的非光滑形态,有利于减少振翅飞翔中产生的空气漩涡的阻力。尾羽羽枝跟羽轴之间角度比飞羽大,具有减阻作用。体羽和绒羽的大量分布,构成鸟类体表流线型柔性非光滑形态,在飞行中起到减阻作用。作为信鸽动力羽毛的显微结构单元,主要是有钩羽小枝、无钩羽小枝、节状羽小枝3种羽小枝。将仿信鸽羽毛的非光滑形态模型加工在回转体模型的后部,经过计算机模拟计算,其减阻率可达16.56%。     

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。     

仿生柔性非光滑表面减粘降阻的试验研究

对绒布,帆布、钢布,尼龙布,钢链等仿生柔性非光滑表面与田鼠毛皮、４５钢进行了法向粘附力和滑动阻力的对比试验。结果表明,在同样条件下,仿生柔性非光滑表面的粘附力是４５钢的１６％－４０％,滑动阻力是４５钢的３０％－５０％,具有十分明显的减粘附阻效果,为仿生柔性非光滑表面在工程技术上的应用开发创造了条件。     

仿生镇压辊减粘降阻的有限元分析与试验验证

利用ABAQUS软件建立了传统镇压辊和仿生镇压辊与土壤相互作用的三维有限元模型。模拟结果中伪应变能约占内能的0.1%,传统镇压辊和仿生镇压辊的牵引阻力的模拟值和试验值相对误差分别为11.47%和2.38%,模拟值和试验值吻合较好,验证了模型的可靠性。从Mises应力云图、镇压辊与土壤接触面积和位移云图3方面对2种镇压辊的模拟结果进行了对比。结果表明:仿生镇压辊与土壤的接触应力显著大于传统镇压辊,更利于将土壤表层的土块压碎;仿生镇压辊与土壤的接触面积比传统镇压辊降低了79.05%,有利于降低土壤与仿生镇压辊表面的粘附力,且土槽试验结果得到仿生镇压辊的粘附土壤量比传统镇压辊降低52.78%;仿生镇压辊表面的肋条结构能在一定程度上约束土壤流动,避免了壅土现象的产生;2种镇压辊的下陷量相差很小,压实阻力基本相同,但仿生镇压辊更利于压实表层土壤;传统镇压辊造成土壤沿镇压辊宽度方向的位移扰动量大于仿生镇压辊,需要消耗更多的功。土槽试验结果表明:与传统镇压辊相比,仿生镇压辊的阻力降低了28.66%。     

东方蝼蛄体表形态与润湿性

利用扫描电镜分析了东方蝼蛄(Cryllotalpa orientalis Burmeister)前胸背板、腹部、翅膀和足部的体表形态,测定了东方蝼蛄体表刚毛的覆盖密度和尺寸.在OCA20型接触角测量仪上测量了水与东方蝼蛄体表各部位的接触角,分析了东方蝼蛄体表几何微结构与润湿性的关系.研究表明,东方蝼蛄前胸背板、覆翅、腹部、足、膜翅的刚毛覆盖密度分别为40.32%、31.82%、23.89%、19.11%、14.17%,水与东方蝼蛄体表各部位的接触角平均值为110.8°～141.5°,表现出很高的疏水性能.东方蝼蛄体表刚毛形成的几何结构表面与刚毛的高疏水性能的综合作用是其体表不沾土壤和水的重要机理.     

船式拖拉机底板非光滑表面减阻机理研究

基于Fluent软件对船式拖拉机底板建立三维模型,采用数值模拟的方法研究非光滑表面凹坑结构对机身底板的减阻影响。研究非光滑表面凹坑在不同深度、直径下滑行阻力的影响规律,选取最优的凹坑组合成等距排列、等差排列、菱形排列3种结构。分析凹坑结构的减阻机理,发现压差阻力增大、摩擦阻力减小是总阻力减小的原因。结果表明:船式拖拉机凹坑结构具有良好的减阻效果;相比光滑的船式拖拉机底板,非光滑表面凹坑直径为8mm,深度为5mm的等距排列结构的减阻率达到了5. 4%。     

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。     

凹坑形表面土壤减阻率试验及界面动态观察

利用切向粘附动态试验台,测试并研究了土壤含水率为35．1％条件下,玻璃和有机玻璃凹坑形仿生非光滑表面和光滑表面与土壤相互作用的摩擦阻力。采用二元二次回归正交组合设计试验方案,探讨当凹坑形非光滑表面和光滑表面在正压力和速度变化时,土壤摩擦阻力的变化规律,观察两种材料表面与土壤界面的动态变化,讨论试样表面形态与界面水膜及土壤摩擦阻力的关系。试验结果表明,在试验条件下,与光滑试样相比凹坑形非光滑表面玻璃试样减阻率为8．29％～24．65％,有机玻璃试样的减阻率为1．29％～8．18％。     

东方蝼蛄膜翅表面形态与润湿性

利用扫描电镜分析了东方蝼蛄膜翅的表面形态.在OCA20型接触角测量仪上测量了水与东方蝼蛄膜翅展开表面各部位的接触角,分析了东方蝼蛄膜翅表面几何微结构与润湿性的关系.研究表明,东方蝼蛄膜翅展开后各部位的几何微结构各不相同,水与东方蝼蛄膜翅展开表面各部位的接触角平均值为94.4°～118.6°,表现出疏水性能.东方蝼蛄膜翅表面几何微结构与疏水性能的综合作用是其折叠后表面不沾土壤和水的重要机理.     

摇臂式喷头内流道曲面的逆向重构研究

用线切割机床将雨鸟30IBH摇臂式喷头内流道切割成a,b两部分,使三维光学扫描仪的投影光束能够到达其表面进行多视扫描,获取不同视角下流道a,b的点云数据。去除多视点云中的噪点后,用三点法拼接多视点云,得到流道a,b的点云数据;再将流道a,b的点云数据拼接成喷头内流道的点云数据;采用弦偏差采样法将点云数据精简后,用基于边的方法把点云分割成喷管和小喷嘴两部分,选择非均匀有理B样条(NURBS)模型分别按照点-线-面的顺序进行曲面重构。曲面重构的精度分析结果表明,最大几何误差为0.292 9mm,平均几何误差为0.076 2mm,满足预期的精度要求,实现了摇臂式喷头的内流道曲面重构。     

区域表层土壤EC_s和pH时空变异性分布及其相关性

应用地质统计学原理与方法,在山东簸箕李灌区开展区域表层土壤盐性和碱性分布状况的研究,描述表层土壤EC_s和pH的空间与时间变化分布趋势和特征,分析二者间的相关性。研究结果表明,表层土壤EC_s和pH在周年内表现出相近的区域时间变异分布趋势和相反的区域空间分布状况。EC_s和pH在灌区上游的西南方向和下游的分布状况相对稳定,而在中游的变化却呈现出各自的时间季节性差异,表层土壤盐性的区域空间分布状况似乎影响到其碱性的空间分布趋势。EC_s和pH间存在的负相关性不仅表观上与表层土壤盐化程度有关,还受到其它诸多因子的影响。受当地季风气候影响,EC_s在夏玉米收获期内明显低于冬小麦收获期,而pH在湿润的初秋时节则高于干旱的初夏季节,表层土壤质地类型差异对土壤盐性和碱性的影响较为明显。研究成果为灌区制定合理的区域农田水土管理策略和作物种植模式提供了科学的依据。