动物驱动足摩擦学特性研究及仿生设计

研究了蝗虫、壁虎等具有全空间运动能力的动物脚掌的形态、材料微结构及其拓扑关系和接触力学规律。结果表明,脚掌产生的摩擦力具有明确的各向异性,脚掌各部分产生的摩擦力具有自锁合的特点,脚掌材料拓扑结构也具有各向异性特征。研究结果对陆上运动车辆驱动部件(如轮胎)的设计具有重要参考价值。

基于壁虎干黏附的刚柔耦合捕获单元力学性能研究

针对空间碎片清除和非合作目标捕获等在轨作业中的空间动态捕获问题,设计了基于壁虎干黏附机制的刚柔耦合黏附捕获单元,实现冲击接触下稳定黏附附着目标面。分析了碰撞黏附过程的动态特性;搭建捕获性能测试装置并测定黏附单元碰撞/脱附力和速度等参数的关系,分析了黏附捕获—剥离的力学特性,并指导微重力环境下黏附捕获的参数设置;最终测试装置在失重飞机上完成了微重力环境下的自主黏附捕获。结果表明:基于干黏附的捕获单元能够满足空间捕获的应用需求。

面扫描激光淬火对钛合金微动磨损性能的影响

用ＳＲＶ摩擦磨损试验机研究了面扫描激光淬火钛合金在线接触条件下的微动磨损性能，并用ＳＥＭ、ＥＤＡＸ及Ｘ射线衍射等分析了其机理．结果表明：激光淬火处理后钛合金的耐磨性提高１２３倍，摩擦系数降至原来的１／３～１／５，微观硬度提高２．８倍；抗蚀能力得到改善．同时，激光淬火处理后钛合金表面晶粒细化为球状微晶结构，由表面向内层形成多层梯度结构，分别为３μｍ陶瓷化层，５～６μｍ无序结构层，由α＋β相组成的１．５～２．０ｍｍ淬火区．

微动磨损的热力学研究

微动磨损主要是由物理量纲不同的材料弹塑性和摩擦化学反应所决定的复合磨损 ,尚无普遍认可的理论模型。文中用非平衡态热力学描述摩擦接触下的耗散过程 ,以熵平衡关系和非平衡过程的稳定性分析为基础建立微动摩擦体系的热力学模型。分析摩擦磨损中热传导、粘滞性流动、扩散和化学反应的熵产生变化 ,提出以材料粘滞性流动和摩擦化学反应为主的简化模型。根据对简化模型的分析 ,设计了面 -面接触的验证实验 ,并预测磨损痕迹会随微动幅度变化而改变 ,磨损区材料化学成分亦会随位置不同而变化。在

稀土对等离子喷涂镍-碳化钛陶瓷涂层摩擦学性能的影响

用销盘摩擦磨损试验机模拟齿面的相对滑动 ,经测定摩擦系数和上下试样的磨损体积损失、涂层的金相分析、磨痕形貌及成分的扫描电子显微镜观察及分析 ,研究硅铁稀土混合物对高能等离子喷涂金属陶瓷涂层摩擦学特性的影响 .试验结果表明 :添加稀土使涂层致密性提高、摩擦系数有所降低、上下试样的磨损体积损失分别减小 33%和74%,摩擦副表面温升降低 .研究表明添加稀土有助于在涂层表面形成连续的氧化膜 ,从而防止胶合并提高耐磨性 .

直升机传动系统干运转能力的研究

直升机传动系统的干运转能力是直升机生存力的最终措施，本文评述传动系统干运转失效机理，回顾国内外相关研究状况，贫油润滑和固体润滑的相关研究进展，提出防止和减缓干运转失效的技术途径。

人工关节摩擦学的研究

无菌性松动是人工关节失效的主要形式,由磨损粒子在植入物与肌肉界面的聚集导致。本文从保持良好润滑、提高人工关节的耐磨性、减少敏感尺度磨损粒子产生和抑制磨粒引起的生物学反应等角度论述人工关节摩擦学研究的最新进展。提出从润滑材料设计、磨损控制和材料评价方法等方面改进人工关节设计的建议。

狭小检测空间下多传感融合四足机器人自主导航策略

针对狭小检测空间的机器人巡检任务需求,提出多传感适时融合的小型四足机器人自主导航策略。采用惯性测量单元和激光测距传感器进行卡尔曼适时融合滤波获取机器人位姿;引入模型预测控制实现对期望路径的高精度鲁棒跟踪,完成机器人狭小空间内的自主导航目标。试验验证表明:机器人实际行进路径与期望路径的吻合度较好,基于该策略可以实现小型四足机器人在狭小空间的自主导航目标。

粗糙度对4种聚氨酯弹性体粘着性能的影响

采用生物摩擦磨损试验台测定了4种聚氨酯的弹性模量,研究了表面粗糙度和法向力对粘着力的影响.结果表明:4种聚氨酯的弹性模量在55～1206kPa之间,粘着力由高到低的排序同其弹性模量排序相反,弹性模量较低的试样的饱和粘着力达到15kPa,且表面粗糙度对粘着力的影响不明显;弹性模量较大的试样的粘着力仅为1.5kPa,随弹性模量增加,表面粗糙度的影响增大;试样之间的接触形式同粘着力密切关系,相当于单个凸峰接触的蓝宝石球对聚氨酯试样的粘着力不受法向力的影响,而在平面接触情况下粘着力先随法向力增加而增大,当法向力超过一定(10～15kPa)值后,粘着力增加趋缓并达到饱和值.

试论摩擦学研究中的科学方法问题

摩擦学是工程先导性的学科高度交叉综合的前沿研究领域，是尚未成熟和最具活力的学科之一，它具有用户要求多样的特点。近年来的大量实验结果对摩擦学理论产生了巨大的冲击。为迎接挑战并更好地指导工业设计，须重新探讨摩擦学的研究方法，表征量的选择及其思想方法。作者认为在继续开展摩擦学实验研究的同时，须大力推进理论研究，非平衡态热力学可做为该研究的基础，熵可用作为表征量。研究中应特别重视过程非线性、可逆性和混沌性，并积极探讨摩擦自组织结构的形成条件及其工业应用的可能。

高温复合载荷下钛合金微动疲劳特性的研究(英文)

实验研究了多个参数对钛合金与不锈钢摩擦副微动疲劳寿命和微动摩擦系数的影响 .结果表明 ,较低的拉应力下 ,微动疲劳寿命显著降低 ,其最大降低对应的接触应力下 ,微动副具有最大的摩擦功耗 .微动疲劳寿命随温度非线性变化 :从室温～ 2 0 0℃ ,随温度增加而降低 ;随后反而增加 ,3 0 0～ 5 0 0℃持续降低 .复合载荷下 ,低周幅值不变 ,增加高周载荷的幅值 ,微动疲劳寿命随幅值比的增加而降低 .最初 ,摩擦系数随循环参数增加 ,随后降低并趋于稳定 .高温下由于形成了润滑性氧化物而大幅度降低 .微动幅度小于临界值时 ,摩擦系数随微动幅度的增加线性增加 ,然后保持常值 .摩擦系数和正压力间的关系满足 f =2 .6 91 - 0 .40 9lnσN,从 5～ 45μm时 ,摩擦系数从 0 .2增加到 0 .8.

壁虎的运动及仿生研究进展

研究揭示,壁虎脚底毛为具有活性的细胞组织,靠分子间作用力实现在任意表面上的黏附;仿生壁虎脚底毛的微制造已有大量研究但尚没有突破．壁虎外周神经对脚掌的运动控制采用独立模式,控制策略简单有效,脚底对接触力及方向有明确感受,对仿生壁虎机器人的控制设计很有启发．脑科学和信息科学结合,能够实现活体壁虎运动的人工干预和控制．

激光淬火对钛合金高温干摩擦特性影响的实验研究

报道了钛合金ＴＣ１１ 对轴承钢ＧＣｒ１５ 在室温到４５０ ℃大气环境下，激光淬火前后球盘对比研究。结果表明，经激光处理后，钛合金在１５０ ℃和３００ ℃抗磨能力明显提高，但在室温和４５０ ℃改善不明显。

蝗虫脚掌微结构及其接触的有限元分析

用电子显微镜研究了蝗虫足掌的微结构 ,用非线性有限元方法分析足掌接触过程的变形规律、接触刚度及接触面积、气囊的作用和足掌的应力应变规律 .结果表明 ,蝗虫足掌以软性外表皮包含血浆 (液体 )的结构形式 ,有利于降低接触刚度、增加接触面积 ,并使爪垫在接触过程便产生有利于稳定附着的摩擦力 .软性外表皮内的树丛状杆组织结构会提高足掌在各种表面上的适应性 。

摩擦体系结构分析和定量建模的熵探索

提出摩擦系统演化的 3种基本形式。在非平衡态热力学熵平衡方程的框架下构造摩擦系统的数学模型 ,用熵产生表征摩擦磨损过程的各种现象。讨论了各因素的物理量纲及其统一到熵的途径。研究表明 ,用非平衡态热力学研究摩擦磨损有助于摩擦学的系统分析 ,熵产生可以定量表示摩擦磨损过程的所有因素——材料破坏、摩擦发热。

高温不锈钢与钛合金微动疲劳特性的实验研究

用桥式试样研究了接触压力、微动幅度、温度、循环次数、高低周载荷幅值比等参数对微动疲劳寿命影响。结果表明拉应力和法向压力均影响微动疲劳寿命。当拉应力较大时，微动疲劳寿命（ＦＦＬ）与普通疲劳寿命（ＰＦＬ）相差不大，法向压力的影响不明显；拉应力较小时，ＦＦＬ显著低于ＰＦＬ，且法向影响显著。ＦＦＬ随法向压力增加而降低，但当超过２００ＭＰａ后，反而提高。高低周幅值比的增加，ＦＦＬ大幅度降低。当幅值比为０．１２５，从室温到４５０℃，ＰＦＬ持续降低。而ＦＦＬ从室温到２００℃降低幅度较大，在３００℃左右恢复，随后又降低。研究表明ＦＦＬ的恢复是微动表面形成了防护性釉质层的结果。

摩擦磨损过程的非平衡态热力学研究

摩擦学是一个高度交叉的综合性的边缘学科.影响摩擦磨损过程的因素不仅众多,而且存在复杂的非线性相互作用.与其他技术基础学科相比,摩擦学理论对工程的指导作用远远处于落后的地位,因而必须转换角度,从综合和系统的观点加强定量模型的研究.非平衡态热力学研究的发展为这一研究提供了理论基础.本文提出以熵平衡关系和超熵产生不等式为基础,以熵为表征参数的学术观点.在此基础上对摩擦磨损过程进行了系统的分析.并按照熵平衡关系将摩擦磨损过程分解为热传导、扩散、粘滞性流动和摩擦化学反应四个子过程,回顾和总结了相应的研究状况,指出了进一步研究的方向.

聚氨酯粘着性能的实验研究

用生物摩擦学实验系统研究聚氨酯材料的化学成分、试样连接刚度、试样间初始接触角等在不同法向载荷的粘着性能。结果表明,聚氨酯的化学成分对其粘着性能有重要影响,在多羟基化合物与MDI(二异氰酸酯)的组分比为1:2时,粘着力最大。连接刚度是影响粘着性能的另一主要因素。软连接情况下,不同接触角时,同样粗糙的表面上,材料的粘着性能相差不大。不同粗糙度的表面间的粘着力差异显著。刚性连接情况下,粘着力随接触角的增加而减小。在较光滑表面上降低的幅度大于粗糙表面上的幅度。上述实验结果为仿生足掌的设计提供了重要数据。

大学本科教育中创新意识培育的试验和思考

以十多年仿生学研究的积累为基础,开展新生研讨课的教学改革,用课程选题激发学生对科学的兴趣;用教学方式的变革提升学生表达和团队工作能力;以达到营造学术氛围、培养探索精神、推动复合型人才培养;后续亟待加强实践环节,为培养创新精神和研究能力奠定基础。

空间机器人的若干前沿领域:研究进展和关键技术

基于空间环境和在轨任务的特殊性导致的空间机器人不同于地面机器人的特点,讨论了面向航天产业的核心技术路线图的确定方法,论述了航天员心理陪护机器人的要求和研究方法,重点分析了非合作目标捕获过程面临的非线性碰撞接触动力学等前沿科学问题和冲击载荷下空间漂浮系统的稳定控制等关键技术;并针对未来空间装备巨型化趋势,介绍了大型机械臂研制、多机器人协调和大延迟下对机器人系统智能化的研究进展。