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《仿生柔性非光滑表面结构优化设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、仿生柔性非光滑表面的结构优化设计王云鹏任露泉杨晓东李建桥摘要根据土壤动物柔性非光滑的特征规律和仿生类比的结果,采用数值优化和CAD几何造型技术,通过计算机模拟,构造了圆柱形、半圆柱形、布型和链型仿生柔性非光滑面,为柔性仿生减粘技术的开发创造了条件。关键词仿生柔性非光滑表面减粘降阻StructureOptimizationDesignofBionicsFlexibleUnsmoothedSurfacesWangYunpengRenLuquanYangXiaodongLiJianqiao(JilinUniversityofTechnology,Chang
2、chun)AbstractAccordingtotheinformationobtainedfromthebionicsstudyonsoilanimals,theaspectsofgemometricalshapesandflexibilitycanbeappliedtothebionicsanalogy.Theobjectivefunctionsandtheirconstraintequationsfordigitaloptimizationofbionicsflexibleunsmoothedsurfaceswereestablishedont
3、hebasisofbionicsanalogy.Thedimensionsofvariousstructureunitsofthebionicsflexibleunsmoothedsurfacewereobtained.BasedontheCADgemometricmodelling,thearrangementandlinkofthestructureunitsweredeterminedandthenthebionicsflexibleunsmoothedsurfacesoftheshapeofcylinder,semicylinder,clot
4、h,chainwereobtained.Itcreatedaconditiontodevelopthebionicsflexibleunsmoothedtechnologyofdecreasingadhesionandreducingresistance.Keywordsbionicsanalogy，flexibleunsmoothedsurface，adhesion-decreasingandresistance-reducing通过对典型土壤动物的柔性体表形态及作用分析,对柔性非光滑体〔1～3〕表及其防粘降阻特性进行了深入的研究。结果表明,生物体
5、表和躯体的柔性,通过体表结构局部的相对转动和移动形成转动柔性和移动柔性,破坏了土壤对体表的粘附层;体表上的刚毛、鳞片、体节、针毛和绒毛等非光滑结构的局部,存在有利于减粘脱附的各种几何形状,随躯体的膨胀、收缩或局部结构的旋转、位移,利于对土壤的脱附。根据已得到的仿生信息,进行仿生类比,进而优化设计各种形式的仿生柔性非光滑表面是开发具有良好减粘脱附效果的实用仿生技术关键环节。1仿生类比1.1几何形状类比典型土壤动物柔性体表正视图为圆形或椭圆形,宏观上是多重曲面的复合,存在凸包形等几何非光滑形态,土壤动物体表的几何形状为仿生类比提供了信息。图1为小土块与平
6、面OA的粘附情况,图上B为粘附区上任一点,图中弧线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ为一系列曲面。随着平面OA逐渐变为曲面,在B处,土块的平衡稳定性越来越差,土块的粘附面积越来越小,曲面Ⅰ的半径R最小,曲面曲率最大,土块的平衡性最差,粘附面积最小,土体最不易粘附。因此,从几何形状上看,平面最易粘附,圆柱面次之,球面最不易粘附。几何形状类比表明,在润湿情况下为了减粘,应该用曲面代替平面。图1仿生脱附的几何形状类比Fig.1Thebionicsanalogyofgeometricalshapes1.2柔性类比由于生物柔性体表局部在触土时的作用和材料性质的差异,造成体表局
7、部的柔度不同。有些土壤动物,如马陆,其体表局部间(马陆体节)可产生适当的转动或移动,具有转动柔性或移动柔性的特征。对于转动柔性,采用平面与圆柱体集合来类比,如图2b,其整体和部分间均可发生转动,称为圆柱形减粘面。对于移动柔性,采用平面与半圆柱体的集合来类比,如图2d所示,称为半圆柱型减粘面。图2仿生脱附的柔性类比Fig.2Thebionicsanalogyofflexibility对于转动和移动的复合柔性,采用平面和封闭的圆环集合来类比,图2e和f,称为链型、布型减粘面。根据上述仿生柔性类比结果预测,减粘脱附效果最好的应该是链型或布型减粘面,因为它们
8、是转动柔性和移动柔性的多重复合。2仿生柔性非光滑表面的数值优化根据仿生类比的结论,仿生柔性非光滑表面的优化问
