松软地面机械仿生理论与技术

生物经过长期与自然环境进行物质、能量及信息交换，造就了适应生态环境的生物系统和生存本领，许多科学技术难题在生物界已经获得圆满解决。现代测试技术和测试仪器的出现使得对生物结构、生物功能和生命过程的认识得到了惊人的进展，这为其他学科的研究及发展注入了新的活力，提供了全新的科学原理和技术方法。在工程科学领域中融入生物科学原理和方法进行生物科学与工程科学渗透交融的工程仿生学研究获得了长足的发展，生物科学、机械工程学与松软地面力学相互交叉形成的松软地面机械仿生学成为工程仿生学的重要内容。为解决地面机械在松软地面上工作或行驶过程存在的土壤粘附严重和通过性差两大技术难题，我国学者开展了以生物脱附原理及其仿生技术、仿生步行轮及仿生步行轮式气垫车和骆驼越沙机理及仿生轮胎为代表的松软地面机械仿生学的研究，本文对此进行了综合介绍。

典型土壤动物爪趾形态的初步分析

许多土壤动物的爪趾具有优良的不粘土功能,这对农业机具减粘脱土的仿生研究,具有重要的实际意义。本文利用实体显微镜和扫描电镜对典型土壤动物穿山甲、蝼蛄、蚂蚁、蜣螂等的爪趾进行了观察分析。结果表明,上述土壤动物的爪趾具有利于脱土的特殊构形,并从减粘脱土的角度进行了力学分析。

仿生非光滑耐磨复合层的研究

把土壤动物体表的非光滑特征应用于耐磨复合层的仿生设计中 ,制备出仿生非光滑复合层。研究结果表明 ,非光滑表面能将磨料对表面的犁削变为滚动。在两体静载磨料磨损工况下 ,仿生非光滑耐磨复合层的耐磨性是45钢的 2 9倍。仿生非光滑耐磨复合层具有很高的韧性和塑性 ,且可根据需要调节复合层的厚度 。

颗粒增强超高分子量聚乙烯基复合材料磨粒磨损的特性与机理

为了改善地面机械触土部件的减粘脱土状况，制备了石英砂颗粒增强超高分子量聚乙烯基复合材料，并对其磨粒磨损性能作了试验研究．运用正交试验方法分析了磨料粒度、载荷和速度及这三者的交互作用对材料耐磨性的影响，得出了回归方程．结果表明，载荷对纯超高分子量聚乙烯磨损的影响最大，载荷越高，磨损越严重；在颗粒增强复合材料体系中，磨料粒度对磨损的影响最大．这表明引入硬质点提高材料表层的硬度和抗犁切能力是耐磨性提高的主要原因．

仿生非光滑表面滑动摩擦磨损试验研究

采用激光处理技术加工了几种具有非光滑特征的圆形 4 5号钢试件 ,以正交试验方法设计耐磨性试验方案 ,在国产 MM2 0 0型摩擦磨损试验机上研究具有不同非光滑表面特征的试件耐磨性规律。试验结果表明 ,在相同试验条件下 ,时间、负荷、速度、形态和分布对耐磨性均有影响 ,耐磨性按照凹坑、凸包、波纹。

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。

鸮翼前缘非光滑形态消声降噪机理

长耳鸮扑翼噪声测量试验表明,其翼前缘圆弧齿状非光滑形态对其飞行降噪影响显著。应用逆向重构技术,对长耳鸮翼前缘非光滑形态特征几何信息进行量化,并建立仿生类比模型。采用计算气动声学方法,对仿生前缘非光滑模型的降噪特性进行了数值模拟,并通过分析仿生非光滑形态对模型表面流场的影响,对仿生非光滑形态气流噪声控制机理进行了研究。结果表明,仿生非光滑模型与光滑模型相比,可降低气流噪声5～10 dB,且具备一定的增升作用;仿生前缘非光滑形态具有整流及控制气流分离的特性,可减少由于翼表面气流压力脉动及涡流脱离引发的气流噪声。

生物脱附与机械仿生——多学科交叉新技术领域

土壤粘附现象给地面机械带来严重不良影响， 其危害十分严重。对具有优良脱附功能的土壤动物乃至其它生物的脱附原理进行研究，并应用于地面机械部件设计中，形成了生物脱附与机械仿生研究新技术领域。综合介绍了土壤动物脱附原理和地面机械脱附减阻仿生研究的现状，

仿生非光滑用于旋成体减阻的试验研究

基于仿生非光滑表面具有减粘降阻特性的基本思想,通过仿生非光滑表面控制旋成体附壁区的边界层结构来减小旋成体的阻力。利用6因素3水平的正交试验,考察了对旋成体阻力影响较大的6个因素。对具有不同尺寸的凸包、凹坑以及棱纹等形态的非光滑旋成体及光滑旋成体进行了低、亚、超音速风洞试验,并将减阻率作为试验指标。对减阻率的分析表明,三种非光滑表面均能起到减小旋成体阻力的作用,总阻力最大减阻效果为5%左右。用极差法进行正交试验设计分析,得到了影响旋成体阻力因素的主次顺序及最优水平,并探讨了不同仿生表面对旋成体粘性前部阻力(包括表面摩擦阻力及激波阻力等)及底部阻力的不同影响。

离心式水泵仿生非光滑增效的试验研究

基于仿生非光滑技术,通过改变离心式水泵中液体的流动结构降低固液界面的阻力,研究了水泵的增效问题。并设计了试验系统,采用L9(34)正交试验,以离心式水泵效率为试验指标,进行了离心式水泵的流量、扬程、电压和电流的测量。对比试验表明,在离心式水泵的有效工作流量范围内,某些仿生改形表面的模型具有十分明显的效果,效率提高最大为3.45%,最大增效率为6.81%。并优化出在两个流量段的主次因素和最优水平,为仿生非光滑技术在离心式水泵中应用的进一步研究提供了前期基础。

几何非光滑典型生物体表防粘特性的研究

研究表明,几何非光滑体表是土壤动物减粘降阻的原因之一。通过对典型土壤动物蜣螂的大量观察、实验研究和表面分析,发现其体表不同部位具有不同的几何非光滑;将土壤力学与生态学相结合,还探讨了在粘湿环境中蜣螂非光滑体表与不同触土方式的关系及其对防粘特性的作用机理。

激光处理非光滑凹坑表面耐磨试验的均匀设计研究

本文采用试验优化技术中的均匀设计方法 ,实施了影响凹坑非光滑表面耐磨性的多因素复杂试验。通过用统计分析软件SPSS(StatisticalPackagefortheSocialSicence)处理试验数据 ,得出了激光处理仿生非光滑凹坑表面耐磨的多因素回归方程 ,发现速度、负荷、时间的凹坑圆周方向的距离对耐磨性有显著影响 。

典型生物柔性非光滑体表的防粘研究

在分析蚯蚓、马陆、穿山甲、田鼠等典型土壤动物柔性体表形态及其作用的基础上，分析了柔性非光滑特征及其防粘特性，并进行了原理性的试验研究。

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。

仿生非光滑推土板减粘降阻的试验研究

对模拟土壤动物典型几何非光滑表面的各种形状的仿生非光滑推土板在固、液、气三相组成的土壤中，进行了减粘降阻试验研究。试验土壤为砂土、湿砂土、松散黄粘土和结持性较好的黄粘土，研究非光滑表面在改变切削深度、切削角度条件下减粘降阻效果及非光滑表面减粘降阻机理。结果表明，在切削成垡状粘性土壤时，非光滑表面可降低阻力２５％以上。

典型植物非光滑疏水表面的理想模型

通过对植物非光滑表面疏水特性的分析,把疏水表面分为4类:超亲水表面、中等亲水表面、中等疏水表面、超疏水表面。从能量平衡的角度论证了超亲水表面、超疏水表面能量传递符合Cassie模型,中等亲水表面、中等疏水表面能量传递符合W enzel模型,并从许多的植物疏水表面中筛选出4种典型的几何非光滑表面原型,分别构建了凸包型、凹坑型、圆锥型、柱型的理想疏水表面的数学模型,这将为工程仿生脱附的疏水表面设计与制造提供理论依据。

土壤动物减粘脱土规律初步分析

在土壤中生活的许多动物经过亿万年的进化优化,具有减粘脱土的特殊功能。本文对七种典型土壤动物进行了实际观察和体表测试分析,初步探讨了土壤动物的减粘脱土规律,并对地面机械仿生减粘脱土研究提出了初步设想。

土壤粘附研究概述

土壤对地面机械的粘附是亟待研究和解决的重大科研课题。本文综合有关文献资料,简要地叙述了土壤粘附研究的主要内容及其历史,并对土壤粘附研究的现状和前景作了阐述。

小型收获机对倒伏玉米收获损失的试验研究

倒伏造成玉米收获困难并加剧了收获损失。特别是在以小型收获机为主要收获力量的地区,损失更为严重。该研究对小型收获机收获倒伏玉米的损失进行了试验与分析,得出了倒伏玉米收获损失的变化规律。试验以4行自走式轮式玉米收获机(JM-4Y)、2行自走式履带玉米收获机(JM-2C)和装备了螺旋提升式茎秆辅助喂入装置的2行自走式履带玉米收获机(JM-2CAF)为研究对象,以每平方米籽粒损失质量和每30m2果穗损失数量为试验指标,在不同收获方向和不同收获速度下进行。试验结果表明,JM-4Y收获机、JM-2C收获机和JM-2CAF收获机在不同收获方向的平均籽粒损失质量分别为101.88g、285.72g和110.20g,平均果穗损失数量分别为10.08、33.54和9.28个;JM-4Y收获机在前进方向与倒伏方向一致时收获损失最低,而JM-2CAF收获机则在前进方向和倒伏方向相反时收获损失最低;普通收获机割台和装备螺旋提升式茎秆辅助喂入装置的割台对茎秆喂入方式不同,造成它们具有不同的最优作业条件。

仿生挠性铲斗减粘降阻的研究

土壤对地面机械触土部件的粘附是亟待解决的问题,本文分析了典型土壤动物体壁的弹性大变形特性,运用D-最优理论设计了11种仿生挠性铲斗,并进行了试验研究,结果表明,仿生挠性铲斗与普通铲斗相比降低斗中粘土量约59.4％,降阻达15.85％。最后分析了仿生挠性铲斗减粘降阻的机理。