两栖纲无尾目典型动物优异生物特性及其工程仿生应用

两栖纲无尾目(Anura)动物包括47科408属的5679种青蛙和蟾蜍,其数量在不断增加.为此,综述了该目典型动物优异的适应环境的能力以及结合这些优异性能而解决的工程问题,如电子蛙眼、超声波通讯、生物弹性纤维、保护色、医用蛙皮敷料、跳跃机器人、皮肤组织形态及腺体和皮肤分泌液的应用.同时,着重介绍了其体表的形态和结构,发现其是一种复合嵌套形式,加之体表分泌液的存在,使其适应生活在潮湿的环境中.同时,分析了无尾目典型动物优异生物特性在包括农业工程在内的工程上的潜在的仿生应用前景.     

旋耕-碎茬仿生刀片田间作业性能的试验研究

为检测旋耕-碎茬仿生刀片的田间作业功耗和作业质量,利用应变片型扭矩传感器对安装仿生刀片的两行耕整机进行田间作业功耗电测试验,依照国标测试方法测定作业质量,并与国标旋耕刀和常用碎茬刀进行了对比。田间试验结果表明:旋耕试验中,旋耕-碎茬仿生刀片的单位切土面积功耗小于国标旋耕刀,且作业质量优于国标旋耕刀;碎茬试验中,仿生刀片单位切土面积功耗小于常用碎茬刀,作业质量较碎茬刀稍差,但依旧满足国标要求。该研究工作为实现只应用一种刀片来完成旋耕和碎茬2种不同作业的目标提供了参考。     

角蛋白材料结构与力学特性研究进展

天然生物材料精巧的结构和独特的功能为许多工程技术问题的解决提供了仿生学基础。人们在不断地寻求仿效对象，以期基于生物系统发展工程技术系统。角蛋白材料作为一类具有从纳米到厘米尺度上分级结构的天然生物复合材料有着与其它天然生物材料不尽相同的结构和功能，对其结构乃至超结构进行研究，探索其力学行为的微观机理，对于包括农业工程在内的众多工程领域中仿生材料和仿生系统设计具有重要意义。该文对蹄壁角蛋白、羽毛角蛋白、毛发角蛋白及爪子角蛋白材料的结构及力学性能和角蛋白材料的分析方法进行了综合评述。     

土壤粘附系统中粘土颗粒群的粘附特性

从土壤—水系统中粘土颗粒群的性质出发，进一步分析了土壤颗粒群的孔隙结构及其毛细孔道产生的抽吸力，研究了土壤对触土部件表面的粘附过程。结果表明：土壤粘附除了毛细管力、水膜粘滞力及初级化学键力外，粘土颗粒堆积形成的毛细孔道产生的抽吸势对土壤在触土部件表面的粘附有一定的贡献。压力及固体表面热力学因素的共同作用是粘附过程中土体表层颗粒重排及水分再分布的主要原因。     

不同含水率黏重黑土与触土部件互作的离散元仿真参数标定

为了获得可用于东北地区黏重黑土与触土部件相互作用的离散元仿真模拟参数,该文利用EDEM中Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接触模型对不同含水率的东北地区黏重黑土进行相关参数标定,针对含水率在10%～20%的实际作业环境,分别配置含水率为12.46%±1%和17.15%±1%的2种黏重黑土,以土壤颗粒间的滚动摩擦系数、恢复系数、表面能参数及静摩擦系数为标定对象,并以土壤颗粒的仿真堆积角为响应值,基于Box-Behnken的响应面优化方法得到堆积角回归模型,并对回归模型进行寻优,得到2种含水率的模型参数优化解,并给出了模型参数范围。测定了4种含水率下黏重黑土对3种触土部件材料(65Mn、UHMW-PE和PTFE)的静摩擦系数,并以此为基础分别对65Mn(典型铁基材料)和PTFE(典型低表面能材料)板进行斜面试验,以含水率为17.15%±1%的黏重黑土为试验对象,分别搭建斜面物理试验平台和仿真模型,以土壤颗粒与触土部件材料之间的滚动摩擦系数、恢复系数、表面能参数及静摩擦系数为标定对象,以仿真得到的土球在65Mn和PTFE板上的滚动距离为响应值,基于响应面优化法得到滚动距离回归模型,以实测的滚动距离为目标对回归模型进行寻优,得到黏重黑土对2类典型触土部件材料接触模型参数的优化解。研究结果表明,标定优化后的土壤模型能够近似代替真实的东北地区黏重黑土进行仿真,可利用标定后的参数进行黏重黑土与触土部件间的离散元仿真,可为东北黏重黑土作业条件下的农业机械触土部件仿生减阻设计与优化提供基础数据。     

挖掘机獾爪趾仿生斗齿提高其入土性能仿真与试验

为解决挖掘机斗齿入土阻力大,易断裂的问题,该文利用Handyscan700扫描仪获取獾右前爪中趾表面的三维点云,提取獾爪趾的侧面轮廓曲线,并进行拟合得到曲线方程,将获取的曲线方程运用到斗齿的设计中,利用三维软件建立斗齿模型。运用有限元分析软件对仿生斗齿和80型斗齿的力学性能和切土过程进行数值模拟,对比分析了力学性能的差异以及能量损耗与切土深度的关系。采用快速成型加工技术加工出了仿生斗齿与80型斗齿试样。利用电子万能试验机对2种试样进行了楔土试验,测定了楔入阻力与楔入深度的关系。结果表明：在施加相同载荷的情况下,仿生斗齿所产生的最大等效应力小于80型斗齿的,破坏的可能性小,比较安全;当斗齿的入土深度相同时,仿生斗齿的消耗的能量总小于80型斗齿;在同样条件下,仿生斗齿的楔入阻力较80型斗齿低11.9%～12.6%。该文以獾爪趾为仿生原型设计的挖掘机斗齿不仅解决了工程中遇到的问题,还为减阻部件的开发提供了新思路,具有重要的参考价值。     

东方蝼蛄前胸背板外轮廓数据采集与量化分析

为揭示东方蝼蛄(Gryllotalpa orientalis Burmeister)前胸背板在挖掘过程中的作用,本文利用3D激光扫描仪测得东方蝼蛄前胸背板的外轮廓数据点,云在逆向工程软件中对东方蝼蛄前胸背板进行曲面重构.提取前胸背板截面曲线,利用Matlab软件对前胸背板的截面曲线进行拟合,得到曲线方程.对东方蝼蛄前胸...     

基于ANSYS的竹象虫头管仿生模型抗扭转分析

多层复合管在工程领域中应用广泛,但对其抗扭性质研究却较匮乏。为揭示竹象虫头管的抗扭转机理,该文利用电子扫描显微镜、X射线能谱仪和纳米压痕测试仪对竹象虫头管的内部结构、组成成分和纳米力学特性进行了分析。结果得出,竹象虫头管是由组织形貌、成分、力学性质各异的多种结构组成的多层中空复合管,其中外层主要为致密的几丁质,内层根据组织形貌又可分为轴向层和周向层,轴向层由片状脂类或糖类聚合物排列而成,周向层主要由纤维-蛋白基质排列而成,加强筋径向分布在管壁中,贯通多个轴向和周向层。其中,周向层的弹性模量、硬度和刚度最大。在头管结构研究的基础上,建立了仿生管模型,并采用ANSYS有限元软件对仿生管模型进行扭转分析,揭示了竹象虫头管多层排列的合理性。同时优化结果表明,提高内层材料的弹性模量,可以增加多层复合管的抗扭能力。该研究可为多层复合管抗扭转能力的增强设计提供参考。     

克氏原鳌虾头胸部外骨骼微观结构和摩擦磨损特性

为探索克氏原鳌虾(Procambarus clarkii)在泥浆中穿行的防黏耐磨机理,该文以克氏原鳌虾头胸部外骨骼作为研究对象,分析其无机元素含量和存在形态,观察其微观结构,并测量其硬度和弹性模量;对外骨骼进行摩擦磨损试验,考察其摩擦磨损特性,并观察磨痕的磨损形貌。试验表明,克氏原螯虾头胸部外骨骼中含有大量的钙元素,其中大部分以非晶结构存在,并含有少量碳酸钙;外骨骼表面具有凹坑、凸包和刚毛微观结构;螺旋夹板层具有蜂房结构,钙盐以针簇状分布在螺旋夹板层中;外骨骼硬度为0.503 GPa、弹性模量为18.019 GPa;摩擦因数呈跳跃式变化,最小时不足0.1,最大时接近0.8,磨损类型属于磨粒磨损。研究结果为农业机械触土部件表面防黏、耐磨的仿生设计提供理论依据。     

一种梯度耐磨材料制备工艺与组织特征

根据仿生学原理,把梯度功能材料的设计思想扩展用于“量大面广”的耐磨材料,研制了一种与部件一体化制做的新型梯度耐磨材料及其制备工艺,对主要工艺参数的选择进行了计算和讨论,并研究了材料的组织特征、力学性能和耐磨性。