吸气预冷发动机预冷换热芯体仿生结构设计发展趋势与展望

现有超高声速飞行器预冷组合循环发动机空气预冷器内部一般由多组微细管束组成,工作过程中存在流致振动大、加工要求高等问题,因此,有必要对预冷器换热芯体进行改型设计,并对其开展进一步的流动换热研究。本文首先分析了基于仿生分形的预冷器换热芯体改型需求;然后梳理了仿蜂巢分形、树状分形与生物表面混合结构在新型预冷芯体强化换热上的应用,以及仿生物体凹凸表面结构、疏水结构在降低预冷芯体内通道表面流阻、抑制结霜上的应用,给出了3种可适用于空天领域的“筒状”仿生预冷换热芯体设计案例;最后总结并展望了仿生微通道换热结构与预冷器换热芯体设计结合的发展前景。

仿生水翼结构对空化抑制效果影响的数值分析

空化对流体机械表面造成高频脉动冲击,使其动力性能下降.为提高水翼的抗空化性能,研究水翼表面仿生结构参数对空化抑制效果的影响.采用SST-TM湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对不同参数仿生结构水翼的空化流场和水动力学特性进行了数值模拟研究.探究仿生结构的弦向位置、宽度、角度对空化效果的影响,初步揭示空化抑制机理.结果表明:当仿生结构的弦向位置为L=0.3 C、宽度为b=0.15δmax、角度为θ=14°时抑制效果最明显,与原型水翼相比空泡数减少24%,水翼振动频率减小23%,升阻比提高4.73%,回射流厚度和强度明显减弱;随着仿生结构接近尾缘,吸力侧上的空化区先减小后增大,在空化充分发展的空腔末端设置仿生结构抑制效果最明显;存在最佳宽度参数使空泡体积数最少,最小压力系数增大明显,升阻比最大;仿生结构角度的增大能更好地增大水翼近壁面压力,同时也会引起旋涡的生成,加剧流场的不稳定性.

蚬子外壳仿生表面减阻结构的设计与分析

受天然生物蚬子在泥沙环境中优异的运动能力的启发,提出了仿生蚬子表面形貌减阻方法,并根据其外壳表面形貌特征的显微图像设计了仿生表面减阻结构,利用CFD数值模拟方法中的多相流Mixture模型对设计的3种仿生表面结构进行横向仿真模拟并与光滑表面结构进行减阻效果对比。结果表明,在不同的两相流流速下,3种仿生表面结构在横向模拟中都具有一定的减阻特性,且以棱纹结节表面结构的减阻性能最佳。

仿生咬合式末端执行器的结构与控制系统设计

末端执行器是采摘机器人的关键功能部件之一,在确保采摘及时性、提高劳动效率等方面发挥着重要作用,但传统的机械扭断和剪刀剪断等采摘方式使得末端执行器在采摘过程中容易对果实造成机械损伤。为了解决该问题,基于蛇嘴的生理结构和捕食机理,设计了一种新型仿生咬合式末端执行器,利用吸附机构吸附果实和咬合机构切断果柄实现果实与果柄的分离,利用柔性输送机构传输果实实现果实的无损收纳。在SolidWorks软件中设计了仿生咬合式末端执行器的三维机械结构,利用ADAMS模型仿真验证了该机构的运动合理性,并开发了分布式气动控制系统。

杨桃启发的仿生星形薄壁结构耐撞性研究

薄壁吸能结构在航空航天和交通运输等领域发挥着重要作用。受具有出色抗压特性的杨桃果实启发,设计了仿生星形薄壁结构。通过有限元仿真、实验和理论分析结构变形和吸能机制,讨论截面形状和几何参数对薄壁结构吸能特性的影响。探究了层级设计与加强筋配置对星形薄壁结构耐撞性的优化效果。结果表明,星形薄壁结构具有规则的渐进折叠变形机制,其比吸能、压溃力效率等耐撞性能大幅优于常见截面的薄壁结构,具有良好的工程应用潜力。

面向激光增材制造的仿生薄壁结构抗冲击研究

冲击载荷是航空航天装备结构设计中不可忽视的因素,设计承载能力高、吸能特性好的薄壁结构是研究热点。综合骨骼和蜂窝的结构特征,基于Voronoi算法,开展了类蜂窝六边形结构伪随机排布;参考骨质内疏松外紧密的排布特征,进行分区设计,来构造新型抗冲击结构。通过激光选区熔化钛合金及激光选区烧结碳纤维/PEEK(polyether ether ketone,聚醚醚酮)复合材料仿生薄壁结构和均布蜂窝结构的抗冲击仿真,对比了2种结构的吸能特性。仿真结果表明:相比于均布蜂窝结构,在轴向冲击条件下,激光选区熔化钛合金和激光选区烧结纤维/PEEK复合材料仿生薄壁结构的最大吸能量分别提高了17.7%和27.7%;在侧向冲击条件下,最大吸能量分别提高了422.6%和99.2%。所设计的仿生薄壁抗冲击结构在航空航天领域具有重要的应用前景。

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。

仿生鲨鱼皮复合微纳减风阻结构的仿真与制备

仿生学与减阻技术的结合,为减阻开辟了重要的研究方向,在航空航天领域有着潜在的发展与应用前景。为提高降低风阻效果,本文对复合微纳减风阻结构进行了研究,基于仿生学原理,采用CFD仿真及激光微纳制造技术,建立了减阻结构组合模型,并在飞行器的大气传感器半球头体模型表面制造仿生鲨鱼皮复合微纳结构,即在仿生鲨鱼皮鳞片结构的基础上,通过激光干涉扫描二级微沟槽,以进一步提升减阻效果。采用CFD仿真与风洞实验相结合的方式,对减阻机理进行理论分析,完成了复合结构的微纳制造,减阻率最高可达10.3%。

基于反刍类动物臼齿仿生的平面磨具形貌结构设计与性能研究

目的 提高平面研磨加工效率及加工质量。方法 提取了反刍类动物臼齿齿面形貌特征,设计了一种模块化分布式平面研磨工具,采用ABAQUS分析了无特征规则排布磨具与仿生特征排布磨具在研磨抛光过程中对工件压力分布均匀性的影响;采用Fluent分析了仿生特征排布磨具形貌结构对磨削液流动性的影响;利用3D打印技术制备了仿生特征排布磨具与无特征规则排布磨具并进行了对比实验,通过响应面分析法讨论了转速、压力、表面结构特征等因素对磨具研磨性能的影响。结果 仿真结果表明,与无特征规则排布磨具相比,在4 N研磨压力下仿生特征排布磨具具有更优的工件表面应力分布均匀性;磨削液在磨具形貌特征间隙入口的流速为2.400 m/s时,与其他特征磨具相比,仿生特征模块化排布磨具的形貌特征间隙出口平均流速提升了29.45%。实验结果表明,与无特征规则排布磨具相比,在同等工艺下,使用仿生特征模块化排布磨具研磨的铝合金试件表面粗糙度由0.301μm降至0.188μm,下降了17.94%;当研磨压力为5 N时,材料去除速率由1.44μm/min提升至1.93μm/min,提升了34.47%。结论 平面磨具的形貌结构特征设计与排布对研磨过程中的工件接触压力分布、磨削液流动性具有重要影响。与无特征规则排布磨具相比,在相同工艺条件下臼齿仿生特征模块化排布磨具能够更有效地提升加工效率及加工质量。

偕老同穴海绵启发的仿生结构吸能特性研究

目的为得到质量更轻、吸能效果更好的结构,以自然界中偕老同穴海绵复杂硅质骨针结构为仿生原型,提出一种偕老同穴海绵仿生吸能结构。方法通过有限元仿真对偕老同穴仿生结构和4种对比结构进行准静态压缩仿真,并在此基础上分析不同构型参数对海绵仿生结构吸能性能的影响。结果结果表明,偕老同穴海绵仿生结构在压缩过程中呈现二次受力平台效应,使得其吸能效果优于传统结构,同时当斜肋板位置系数Rkl为0.3时仿生结构的吸能效果最佳。随着斜肋板厚度的增大,结构的比吸能线性增加。从压溃力效率来看,当斜肋板厚度是纵横筋板厚度的1.6倍时,结构的压溃力峰值基本等于平均压溃力,结构压溃力效率达到最优,结构的整体吸能性能效果达到最优。结论本文所提出偕老同穴海绵仿生结构为高刚轻质吸能结构设计提供了参考,在吸能防护领域具有一定的应用前景。

无柔性轴承谐波齿轮传动凸轮表面仿生微凹坑结构参数设计

本文研究无柔性轴承谐波齿轮传动中凸轮波发生器表面仿生微凹坑纹理对谐波齿轮传动润滑性能的影响,建立微凹坑纹理化的凸轮模型,利用流体动力学方法研究纹理的形状、密度、分布位置、深度等对谐波齿轮传动结构摩擦力和承载力的影响。结果表明,当微凹坑在凸轮外表面全区域均匀分布,其深度和直径分别为0.1 mm和6 mm,且分布密度越大时,凸轮波发生器结构的承载性能和润滑性能更好。本文的研究结果为无柔性轴承凸轮波发生器的表面纹理设计与优化提供了依据。

高强韧仿生螺旋复合材料超结构设计与分析

随着人类航天活动的日益频繁,轨道空间环境不断恶化,提升航天器结构强度和韧性具有重要的现实意义.该文设计了具有中面对称特性的高强韧仿生螺旋复合材料超结构,开发了相应的热压制备工艺.通过准静态压痕性能测试,以荷载⁃位移曲线、峰值力、失效位移、刚度与能量吸收为关键力学指标,分别在37层与73层下对正交、准各向同性以及5°,10°,20°螺旋铺层的碳纤维增强复合材料(carbon fibre reinforced polymer,CFRP)超结构进行了性能表征,并分析了破坏模式与失效机理.研究结果表明:相较于传统铺层方法,采用对称螺旋铺层方式能够有效减小层间应力,显著提升超结构的准静态压痕性能;尤其是当螺旋角设定为10°时,超结构在峰值载荷和能量吸收方面得到了卓越的性能提升.该研究成果不仅为航天领域内高性能复合材料超结构的设计与制造提供了理论支持,同时也为其实际应用奠定了实践基础.

骨组织工程中传统与仿生支架结构设计的差异

背景:多孔支架作为新骨生长的临时基质在骨修复过程中起着关键作用,其中多孔支架的结构设计是骨修复过程中的研究重点。目的:综述传统支架(规则、均匀的支架)和仿生支架(不规则、不均匀的支架)在骨组织工程研究领域的应用。方法:检索中国知网(CNKI)、维普、万方、Web of Science、Science Direct、PubMed、EI等数据库,选取2008年1月至2024年3月发表的文献,中文检索词为“骨组织工程,仿生支架,骨小梁,传统支架,骨修复,三周期极小曲面”,英文检索词为“bone tissue engineering,bionic scaffolds,bone trabeculae,traditional scaffolds,bone repair,TPMS”。最终纳入81篇文献进行综述。结果与结论:骨支架的结构设计是实现骨修复和骨再生的关键,骨组织工程中的支架技术已取得显著进展。传统的规则多孔支架因简单的制造流程和良好的机械性能被广泛应用,然而这类支架往往缺乏生物活性,难以模拟自然骨组织的复杂微环境,限制了其在促进细胞增殖和骨再生方面的能力。相反,仿生支架通过模拟自然骨组织的结构特征,提供了更适宜的生理微环境,促进了成骨细胞的增殖、分化及新骨的形成,为骨缺损有效治疗提供了新的思路。尽管仿生支架在理论上具有巨大的潜力,但在实际应用中仍面临诸多挑战,支架的生物相容性、生物活性及长期稳定性等因素仍需通过临床试验进行进一步验证。

基于呼吸功能仿生的力致结构色传感的肺器官芯片的研究

肺是构成人体呼吸系统的主要器官,直接暴露于外部环境中,容易受到各种致病因素影响而产生病变,威胁生命健康。因此,研究肺部各类疾病具有重要意义。传统的体外实验模型存在诸多自身条件所带来的局限性,无法有效还原人体肺部的真实环境,而器官芯片在此方面具有优势。然而,现有肺器官芯片无法兼具模拟肺泡所处的三维力学微环境和直观展现呼吸力学对肺功能的影响。目的构建一种基于肺泡三维微结构构建的力致结构色传感的肺器官芯片,通过改进和创新设计,引入具备反蛋白石结构的水凝胶、结构色光子晶体和规律性力学刺激,构造仿生肺泡微环境的力学可视化肺芯片,并对其进行疾病模型诱导和药物作用效果测试,通过多种表征手段,验证构建得到的肺芯片可作为改进化的新型肺部体外实验模型。结果反蛋白石结构水凝胶形成了具有相当于肺泡直径的空腔,并真实肺泡的力学结构;结构色光子晶体可随力学刺激动态变化;细胞在构造的芯片微环境中生长良好,死亡率低;疾病造模和药物治疗效果良好;呼吸力学对肺部的影响在各表征手段中均可被观察。结论本研究改进构建的肺芯片效果良好,兼具了肺泡力学微结构和呼吸力学可视化功能,可作为新的肺部体外实验模型。

基于仿生原理的板壳结构加强筋优化设计

目的加强筋的合理分布可有效提升结构抗振性,为了提高板壳结构的抗振性能,本文基于仿生原理,以板壳加强筋分布为研究目标,进行动力学的优化与设计研究。方法采用自适应成长法,通过引入等效静态载荷法,建立以动柔度为目标的加强筋分布优化模型,推导出基于准则法的设计变量迭代更新公式,分别研究单点激励和多点不同动态载荷作用下板壳结构的加筋分布设计,并研究单点激励和多点不同动态载荷激励下的板壳加筋结构特性。结果研究结果表明,板壳结构加强筋采用仿生原理对其分布进行优化,可实现任意动态载荷作用下加强筋分布的设计,且优化的加强筋形态分布清晰,无须再处理即可应用到加强筋的生产制造中。结论根据对不同约束的板壳结构进行优化设计,通过加强筋的设计,提升了板壳结构的抗振性能。

具有内表面拓扑结构的仿生血管设计与制备

针对临床人工血管不具备诱导内皮化的内表面微结构,无法为内皮细胞生长提供合适的力学环境的问题,设计并制备了一种具有内表面拓扑结构的仿生血管(BVST),实现了壁面剪切力的优化分布。基于内皮细胞的形态分布,设计了具有正交、菱形、圆弧三种内表面拓扑结构的仿生血管。通过仿真分析,发现正交与菱形结构的BVST对血液流速影响较小,周期波动相近,且BVST的内表面拓扑结构能减缓细胞流速、增加细胞滞留时间,有利于内皮细胞在进行体外培养时沉积、黏附在BVST内表面。通过对比BVST与无拓扑结构仿生血管的剪切力分布,发现BVST整体剪切力分布更加均匀。分析单个拓扑单元内的剪切力分布,发现菱形拓扑单元内部剪切力分布均匀且连续,剪切力变化较小,有利于内皮细胞的生长。将聚己内酯(PCL)溶于二氯甲烷(DCM)配制质量分数35%的PCL-DCM溶液,采用内径为0.2 mm的针头,在移动速度40 mm/s、电压5.8 kV、针头高度1 mm、挤出气压0.05 MPa的条件下,基于电纺直写技术制备具有拓扑结构的仿生血管内膜;将拓扑结构浸水黏附在纺丝收集柱,基于静电纺丝技术制备仿生血管外膜,获得具有内表面拓扑结构的双层仿生血管。提出的仿生血管设计与制备工艺可为血管内皮化研究提供参考。

基于仿生结构的柔性应变传感器研究进展

柔性应变传感器作为可穿戴设备的核心部件,在各个领域发挥着尤为重要的作用。但现有传感器功能受限于传统导电层结构,故研究人员将自然界动植物微纳结构引入到传感器中赋予其更为优异的性能。本文从功能层结构、制备方法及仿生结构等方面对仿生柔性应变传感器的研究进展进行了综述。首先归纳了柔性应变传感器的导电层结构和提升其耐用性的方法;其次总结了仿生柔性应变传感器的多种制备方法;最后从动物、植物及构件三方面论述了传感器的仿生结构类型。未来应致力于开发更有效复制动植物微结构的生产制备工艺,完善应用于应变传感器的仿生种类,以期使应变传感器在提升优异电学性能的同时获得与生物更为相近的仿生功能。

3D打印C-PEEK的仿生结构设计和力学行为分析

为了分析3D打印碳纤维增强聚醚醚酮(C-PEEK)复合材料的力学行为,探索最优工艺参数进行仿生结构设计,研究了碳纤维含量、打印喷头温度、平台温度、切片层厚度、打印速度、填充度、填充直线角度、填充形状、热处理温度及保温时间等多个工艺参数下,3D打印C-PEEK的力学性能演化规律。结果表明:含10 wt.%碳纤维的C-PEEK拉伸性能最好,并且最佳的3D打印参数为:打印喷头温度440℃、平台温度130℃、切片厚度0.2mm、填充度100%、90°直线填充、打印速度40mm/s、保温腔90℃。此外,根据最佳3D打印参数设计兼具蜂窝多孔和Bouligand旋转夹层的仿生结构,开展抗压强度测试并进行压溃行为分析,发现当层间旋角为30°时对应的蜂窝-Bouligand仿生结构的抗压强度可达24.1 MPa,且具有优异的非灾难性断裂特征。

仿生树状分形薄壁结构的耐撞性研究

为提高薄壁管结构的耐撞性,受树枝生长规律的启发,设计了两类树状分形的薄壁多胞结构。根据简化的超折叠单元理论,针对轴向压缩工况,建立仿生薄壁管的平均冲击力理论模型,采用有限元数值模拟技术,研究分形结构对薄壁结构耐撞性的影响。结果表明:理论模型可以有效地预测仿生薄壁管的平均冲击力,树状分形设计能够促进薄壁结构的变形稳定,高阶仿生薄壁管在比吸能、载荷效率等方面优于单胞方管,且随着分形阶数的增加,仿生管的能量吸收能力和变形稳定性进一步提升。

轻质复合材料仿生夹芯结构研究进展

轻质复合材料夹芯结构由薄而强的面板和轻质多孔的芯子组成,其芯子结构的多样性推动着夹芯结构的发展。在自然界中,各类生物在长期的进化过程中形成了最适宜其生存和繁衍的生物结构,其中高强度结构启发了科研人员对夹芯结构芯子进行仿生设计。本文对水中动物、陆地动物、飞行动物以及植物果实、根茎、叶脉的仿生夹芯结构研究现状进行了综述,阐述了仿生复合材料夹芯结构芯子及拓扑结构的设计理念。介绍了复合材料仿生夹芯结构对力学性能的改进和在相关工程中的应用。最后,基于仿生复合材料夹芯结构的发展现状,提出了科学挑战,并进行了展望。