蜘蛛步足流—固耦合计算与液压传动机理研究

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1、慧谦伊吉分类号：TH137.1单位代码：10183林研究生学号：2015414033密级：公开大学姚子生吉林大学硕士学位论文（专业学位）蜘蛛步足流-固耦合计算与液压传动机理研究StudyonFluid-SolidCouplingCalculationandHydraulicTransmissionMechanismwithinaSpider’sLeg作者姓名：盛闯类别：工程硕士领域（方向）：机械工程指导教师：刘春宝教授企业导师：王松林高级工程师培养单位：机械科学与工程学院2018年6月蜘蛛步足流-固耦合计算与液压传动机理研究StudyonFluid

2、-SolidCouplingCalculationandHydraulicTransmissionMechanismofwithinaSpider’sLeg作者姓名：盛闯领域（方向）：机械工程指导教师：刘春宝教授企业导师：王松林高级工程师类别：工程硕士答辩日期：2018年6月3日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学博士（或

3、硕士学位论文原创性声明）本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研宄做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：Ｍ凡曰期：年／月７曰摘要蜘蛛步足流-固耦合计算与液压传动机理研究液压传动为流体传动的一种，是行走机械与高能容比的工业机械中的核心传动形式，影响力遍及各工业领域，特别是国家“安全领域”。未来20年液压传

4、动发展目标为“绿色、紧凑、高效、智能、长寿”十个字，这也是当前液压传动面临的主要问题。自然界中蜘蛛体内存在液压系统，它们用很低的内部压力实现了高效的驱动，并体现了无污染、结构紧凑、高效率与功率质量比、运动协调控制、稳定可靠等优点。蜘蛛利用液压传动实现了非凡的生物功能，自然长期进化已经促成高效的液压传动元件及集成的系统，通过对其高性能液压系统的运行机制与驱动机理及能量传递过程进行研究，能够启发我们发现新的驱动模式和发明新能量传递转化装置等，从而为液压系统的发展提供了一种新的借鉴。在国家自然科学基金（51675219）资助下，本文以大型捕食蜘蛛为研究对

5、象，从蜘蛛步足的内部特征研究出发，结合内部流动的CFD计算结果和血淋巴与外骨骼之间的流-固耦合特性分析，完成了驱动机理及能量传递过程的探究。所做主要研究工作和相关结论如下：1.蜘蛛体型与步足内部流体传输通道的建立使用三维激光扫描仪对样本表面进行扫描，通过平滑，修饰等后处理，完成蜘蛛体型的三维重建。针对蜘蛛步足内部传输通道与外骨骼、肌肉、血管及神经单元耦合在一起，结构很复杂，尝试了多种实验方法：组织切片实验发现Tibia段几乎充满了肌肉；不同部位的肌肉的微观形态有着较大的差别；电镜扫描实验证实了组织切片的结果；Micro-CT实验显示跗节/Metat

6、arsus末端封闭。最终，利用UG三维软件结合Micro-CT扫描图片的手动构建方法，完成了蜘蛛步足远端液压关节的三维模型重建，为后续的仿真计算提供了求解模型。2.蜘蛛步足内部流动CFD数值模拟针对只有进口没有出口的步足内流场CFD数值模拟，计算过程中设置了两种类型的边界条件：一个是压力进口边界条件，另一个作为对照，为速度进口边界条件。通过两种边界条件下的质量流量与理论值的比较，确定速度进口边界条件下的计算结果更合理。I3.蜘蛛步足生物力学特性测试针对影响步足外壳力学性质的因素众多，选择干燥后的蜘蛛步足外壳的外层进行纳米压痕测量。试验参数设置为：样

7、品的泊松比0.25；压入应变率0.1s^-1；压入深度2000nm；保压时间为20s；热漂移率为0.1nm/s。通过对样本不同部位5个测试点的数据处理，得到Metatarsus段步足外壳外层的平均弹性模量E=4.154GPa，Tibia段步足外壳外层的平均弹性模量E=5.187GPa，从而获得了流-固耦合计算所需的材料力学性能参数。4.蜘蛛步足血淋巴与外壳之间的单向流-固耦合计算利用ANSYSWorkbench仿真平台进行了蜘蛛步足内部流体与步足外壳之间的单向流-固耦合计算。蜘蛛步足液压关节在Tibia段和Metatarsus段两者的连接部位为一弹

8、性可折叠薄膜，为了准确模拟流-固耦合的作用效果，将所建立的步足外壳的模型分成三段。两侧硬质外壳简化为均质各向同性材料，密度