融合外形仿生与可拓创新方法的产品创新设计

为辅助设计人员创新,激发发散性思维,提出了融合外形仿生与可拓创新方法的产品创新设计方法。建立仿生样本库,通过意象相似度和功能相似度确定仿生对象;解构目标产品代表性样本,采用数量化Ⅰ类构建设计元素与设计目标的关联模型,选取对设计目标贡献度高的元素进行可拓建模;以仿生对象为基础,对可拓模型进行发散、变换,生成创意,并采用模糊综合评价法评估创意。融合外形仿生与可拓创新方法形成一种流程化的产品创新设计方法,以废墟搜救机器人为例,验证该方法的可行性。研究结果表明:该方法有助于生成创新方案,能为发散性思维提供指导方向,为设计人员提供有价值的参考。

彩绘兽首凤形漆勺艺术之美与仿生造型设计

本文以云梦睡虎地彩绘兽首凤形漆勺艺术之美为切入点展开研究,系统探究其仿生造型设计的美学原理,围绕仿生造型设计的基本概念与原理、美学价值、美学发展及对现代漆艺造物文化表达的启示展开分析,旨在研究传统漆艺仿生造型原理与当代艺术设计美学的融合发展之路,为实现对传统漆艺文化的创造性转化和高质量发展,找到传统漆器造型与现代生活美学的契合点。

仿生蛋形箱梁力学性能研究

通过测量统计多组禽类蛋的长轴、短轴获得禽类蛋的几何特征参数,通过分析仿生蛋形截面与传统矩形截面的惯性矩设计出拥有与矩形箱梁相同截面惯性矩的仿生蛋形箱梁,同时利用有限元法分析两种箱梁的抗弯性能和抗屈曲能力,获得两种箱梁的力学性能与几何特征参数间的规律。最终,根据蛋形几何特征重新设计门式起重机主梁并分析两种主梁在危险工况中的刚度和强度。通过门式起重机主梁的应用,证明仿生蛋形箱梁拥有与传统矩形箱梁相似的结构力学性能的同时,其重量能够比传统矩形主梁轻11.11%。

冰雹形状及重复加载对叶表皮细胞壁仿生结构撞击损伤影响分析

为了提高纤维轻量化构件的冰雹载荷防护性能,基于高垂直刚度特性的叶表皮细胞壁仿生结构(a biomimetic isosceles trapezoid corrugated lattice cellular, bio-ITCLC),构建基体为涤纶纤维层合材料的仿生夹层结构数值模型,分析了冰雹形状、速度及重复撞击对叶表皮细胞壁仿生夹层结构力学行为及动态损伤的影响。结果表明:撞击接触力随冰雹形状的变化而改变,在相同撞击速度条件下,接触力峰值、初始上升率均随冰雹接触面的增大而提高,但加载时间减小;柱形及锥形冰雹的接触力峰值随撞击速度的增大而线性增长,半球形冰雹的接触力峰值与撞击速度呈抛物线关系。bio-ITCLC仿生夹层结构在柱形、半球形和锥形冰雹下的损伤模式分别为撞击区域屈曲压溃而引起纤维断裂、压痕导致的纤维断裂及基体开裂、仿生芯层与上层面板的分层失效。重复撞击并不改变仿生结构的失效模式,但bio-ITCLC仿生夹层结构的基体分层及累积损伤范围随冰雹重复撞击次数的增加而显著增大。

聚氨酯蘑菇状仿生微纤维的混合黏附破坏分析

在仿生学领域壁虎因具有优越的攀爬能力而被广泛研究。为对壁虎仿生微结构的垂直攀爬功能进行设计,本工作对壁虎仿生微纤维与垂直表面之间的黏附机制进行了深入研究。采用双线性内聚力模型对聚氨酯(PU)蘑菇状仿生微纤维与刚性基体之间的界面黏附行为进行研究。运用压缩+剪切、剪切加载、拉伸+剪切分别模拟壁虎足部的附着、滑移及分离等爬行动作,探讨壁虎爬行过程中的黏附破坏机理。结果表明,在剪切加载、拉伸+剪切混合加载下,界面均发生法向和切向的混合黏附破坏;在压缩+剪切混合加载下,界面发生切向脱黏或混合黏附破坏取决于压缩载荷的大小。法向载荷通过改变微纤维与基体的接触面积来实现对切向黏附承载力的调控。斜向加载下界面的黏附承载力与载荷倾角有关,对于所选用的聚氨酯蘑菇状仿生微纤维,当斜向压力的倾角小于52°时,界面的切向黏附承载力随着斜向压力倾角的增大而增大;最优的斜向拉力方向为17°,沿该方向可用最小的拉力实现界面的脱黏。

基于仿生獾牙分层理念的夹芯板电池箱优化设计

为提升电池箱的力学性能,该文基于仿生獾牙分层结构设计理念,设计了一种三角形伞状微结构(TUCS)负泊松比(NPR)夹芯板电池箱。首先,基于獾牙宏观结构建立了仿生獾牙梯度模型;其次,推导了TUCS-NPR的力学模型,并开展TUCS样品的准静态压缩试验,验证了力学模型和有限元仿真的准确性;最后,基于电池箱模态与静力学分析结果对其开展厚度、形貌及拓扑优化,优化后的电池箱在静力学工况下的整体性能均得到了有效提升,且优化后的电池箱质量降低56.4%。同时对优化后的电池箱进行了碰撞、挤压与跌落工况验证。结果表明,新型电池箱在相应工况下的位移和应力均满足安全要求,电池箱具备良好的强度和抗变形能力。

田字型四孔径红外仿生复眼的目标定位

为了探索仿生复眼在目标定位领域的应用,以视场部分重叠的“田”字型四孔径红外仿生复眼成像系统为基础,对其空间目标定位的方法进行研究。根据四个子孔径的空间分布关系分析了“田”字型四目立体视觉的成像过程,和各子孔径与世界坐标系之间的转换关系,并推导出四孔径红外仿生复眼的空间目标定位方法,提出了多孔径约束下的逆成像光路定位方法,使用交错法和点向法解算待定位的目标点坐标;通过对现有四孔径红外仿生复眼实验系统的标定,确定了四个孔径的相对位姿,进而进行了四孔径系统及其部分双孔径子系统的空间目标定位实验,结果表明:相似的孔径空间分布下,“田”字型四孔径对2720 mm距离处的目标的定位误差为40 mm,双目定位的误差为76 mm,四孔径定位相比双目定位的误差减小约一半,能更精确地定位目标。系统在1750 mm处的定位误差不超过2%,水平方向定位精度高于垂直方向。

仿生压制高温大曲生产特性分析及其应用研究

为了探究仿生压曲设备在高温大曲生产运用过程中的品质水平,在相同的工艺参数及发酵环境下,对比分析了仿生压制高温大曲与传统人工曲的感官评分和理化、微生物指标以及所产基酒产质量、风味成分差异。结果表明,仿生压制高温大曲感官评分、理化指标与微生物均与传统人工曲基本一致,且运用到制酒生产中,所产基酒的产质量水平、酒体风格与传统人工曲生产的基酒无差异。可见,仿生压曲设备的研发应用对于酱香型白酒的机械化进程具有重要的推动作用。

叶形仿生优化对离心血泵水力性能及溶血特性的影响

离心血泵的优化对于体外膜肺氧合的临床应用具有重要意义。本研究参考座头鲸在深海中作原地转身运动时其鳍状肢的流线形,重新设计血泵的叶片。采用计算流体动力学对血泵性能进行预测和评估;通过水力试验来验证数值计算的准确性;溶血预测模型采用渐进一致数值近似方法。仿真结果表明,叶片尾缘形状对出口隔舌处的流场分布和该区域的壁面剪应力分布均有显著影响;当叶片尾缘达到一定扭转角度时,叶片结构能较好地适应泵内的流场环境,但当扭转角度不足时,流场扰动反而会增大。与原模型相比,扭转角为20°的模型在转速为2500 rpm、流量为5 L/min的工况下,扬程试验结果增加11.6%,水力效率提升3.1%,溶血指数下降40.1%。总的来说,具有一定扭转角度的仿生叶片尾缘结构可以提高半开放式离心血泵的性能。

基于仿生树形相变循环散热技术研究及变频空调应用

伴随环境温度升高,空调制冷量需求也会逐步增高,从而引发变功率模块发热严重,导致其内部芯片无法良好散热。通常采用压缩机降频工作方法保证电控板安全,但该方法的缺点是温度越高,空调制冷能力越差。针对该缺点,提出一种仿生树形的单向相变循环传热方法,开发了一款单向循环相变风冷散热器,通过焓差室测试,实现了散热器进风口温度62℃时,变频功率模块温度可以降低8℃以上,防止压缩机强制降频造成制冷量衰减。

基于仿生穿山甲楔齿形潜孔钻头探讨

潜孔钻机是矿山爆破穿孔的主要设备,使用量很大,潜孔钻头是潜孔钻机关键部件之一,决定潜孔钻机成孔效率和最终成孔质量。本文利用仿生穿山甲楔齿形原理对潜孔钻头进行了结构设计,并探讨了加工安装工艺。经矿山现场工业性试验,在同等工况条件下,此种潜孔钻头钻孔效率提高,以φ152钻头(6吋)配套高气压潜孔冲击器测得的凿孔速度数据综合分析表明,仿生穿山甲楔齿形潜孔钻头凿孔速度比普通球齿潜孔钻头提高12%~18%。

新型仿生膝关节的机构设计与仿真研究

通过对假肢膝关节系统的功能原理分析,提出了多种新型假肢膝关节结构方案,拟定了结构方案比较与选择的基本要求与准则,完成了结构设计与技术设计;结合运动仿真分析,确定了膝关节在主动屈曲时回转摆动缸的摆动范围,分析了下蹲过程中的机构力矩变化规律。设计与仿真的结果对于连骨式假肢膝关节设计、双足步行机器人开发有参考价值。

土壤粘附仿生研究(二) 典型土壤动物体表形态减粘脱土的初步研究

土壤动物的不粘土特性,对于地面机械减粘脱土的仿生研究具有重要意义。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、蚂蚁和蜣螂等的体表形态进行了观察研究。结果表明,上述土壤动物具有类似波纹状的体表结构,并用波形表面模型进行了减粘脱土的机理分析。

仿生机器鱼自主游动中的流体结构耦合新方法

从揭示鱼类外形仿生和运动仿生中蕴含的仿生机理出发,提出一种机器鱼自主游动中的流体结构耦合新方法,该方法将流体变量和结构变量同步进行推进,并在每个迭代步内进行子迭代,因而提高了算法的稳定性。将鱼体游动介质分为流体介质、结构介质和相互作用的交界面介质,分别建立三种介质的动力学方程。采用隐式耦合方法,给定鱼体变形为输入,将鱼体运动转移到流体单元上,形成对周围流体的激励,通过求解流体动力学方程得到流体作用力,并将该作用力传递于鱼体,作为外力来驱动鱼体自主游动,从而实现流体和结构的交互过程,最后通过机器鱼的自主游动算例验证了方法的有效性。该方法可以评价不同外形和不同运动规律的机器鱼自主游动性能的优劣,进而为揭示仿生游动机理提供科学依据。

基于形态匹配的产品仿生设计融合

为解决产品形态仿生设计中目标域与源域匹配与融合的问题,从工业设计和计算机图形学出发,探索性地提出基于形态匹配的产品仿生设计融合方法。将能表现生物特点的正面、侧面、背面和其他图片进行轮廓化处理,构建生物轮廓数据集;对给定的目标域产品轮廓,使用形状上下文匹配法计算其与生物轮廓数据集中所有生物轮廓之间的形状距离,找到和目标域产品相匹配的源域生物;对匹配好的目标域产品和源域生物进行特征点一一对应标注,使用图像变形技术产生仿生程度不同的仿生产品,实现目标域与源域的仿生融合。该方法能够有效地进行产品与生物的仿生匹配和仿生融合,为设计师提供设计参考和快速生成工具。

意象关联产品形态仿生设计方法

以生物体侧面主特征线为研究对象,提出了建立基于用户意象的仿生设计基因库思想和方法流程,旨在提高设计师对仿生原型的获取。选取生物体侧面轮廓线作为研究对象,利用贝塞尔曲线将其量化描述;通过调研获得用户期望意象形容词,经过聚类分析得到关键意象词汇并将其量化表征,输入库中获取生物原型。以u-fi猫的设计验证了该方法的合理性和可行性。

下肢假肢机构的仿生构形设计与实验研究

下肢机构的仿生构形设计一直是拟人机器人与康复假肢研究的重要课题。通过测量、分析健康人体下肢结构构形与步态模式特征,利用相似性原理,对下肢假肢机构进行仿生设计,结合实际科研项目的样机实验分析。所设计的新型下肢机构在运动学和力学规划模式上逼近真实人体,能够实现拟人化的功能代偿,也可为机器人的拟人化设计提供设计参数和实验对比的依据。

仿生外形防眩板技术参数的研究

防眩技术是交通安全技术的一个重要部分,本文在总结了防眩技术机理的基础上介绍了一种新型仿生防眩板的外形及其技术参数的研究与确定,既满足了防眩的功能要求,又具有其外观上的新颖独特和美观性。

形体减阻类型、减阻机理与仿生

形体减阻在气体、流体和固体系统中有着良好的应用前景。对 3种介质中运动物体的减阻类型与减阻机理进行归纳和分析 ,将形体减阻分为几何非光滑与柔性非光滑两种形式。从能量角度 ,通过建立界面能量平衡方程 ,将 3种介质中减阻的实质统一为系统能量的转移量与转移速率。从仿生学角度 ,对一些人造物与自然生物的减阻效果做了对比分析 ,对刚性与柔性结构单元组合形式进行了分类归纳并举例 。

基于生物形态简化优化法的产品仿生设计研究

目的研究生物形态简化优化法在产品形态仿生设计中的应用,为产品仿生设计提供理论指导与更多思路。方法通过对设计案例与相关文献进行研究,在对形态仿生设计的类型和设计思维的梳理与总结基础上,构建了“从上至下”和“从下至上”这两种产品形态仿生设计的程序模型,并且将这两种程序模型进行了差异的对比,总结归纳出这两种程序模型的特征与适用情况。将产品形态仿生设计中的“简化优化法”分为“局部抽取法”和“整体抽取法”,重点分析了产品形态设计中的简化优化方法。结果通过莲蓬灯的仿生设计实践,运用简化优化法设计,强化了生物形态的典型特征,削弱了次要结构的形态特征,得到了形态特征鲜明的优化生物形态,以此验证了形态优化方法的可行性与有效性。结论将生物形态简化优化法应用于产品形态仿生设计中,可以为设计提供有效的理论指导,为设计师提供更多设计思路。