浅谈减阻耐磨仿生结构研究的发展

引言

所谓"仿生",是指利用所创造的相关产品系统模仿生物系统的行为或执行其功能,来建造新型技术系统的一种新兴的科学方法。它打破了生物和机器的界限,将各种不同的系统沟通了起来。通过研究生物体结构与其产生的特殊功能的工作原理,并根据这些原理发明出新的产品和系统,可以创造出适用于生产、学习和生活的先进技术。在进化和生存竞争中,生物逐渐形成了优异的结构模式和表面组织,以改善自身对于摩擦的不适应。优胜劣汰和适者生存使得生物总是朝着适合其生存下去的方向进行进化和变化,而学会有效利用生物体进化后的优点及其生存特征则是人类对仿生学的探究,也是对生物体发展和仿生研究的巨大目标。

仿生学与减阻耐磨技术结合,需要将仿生技术应用到现有或正在设计的减阻耐磨结构产品中,实现所期望的功能和效果,从而填补摩擦学学科领域的空白,在技术上得到支撑和应用。根据流场控制等减阻原理,并受海中游速较快的鲨鱼启发,通过直接复刻鲨鱼皮和仿鲨鱼皮的沟槽结构等方式可以达到减阻的目的,该技术现已成功运用在泳装设计、飞行器和舰艇表面以及输油管道内壁上,达到了减阻的效果;在仿荷叶以及水黾腿超疏水表面减阻特性方面也取得了显著成果并广泛应用于航行体减阻;受金龟子爪趾结构启发制造的仿生铲尖能够起到耐磨减阻的作用;对嵯螂表面进行仿生制成的推土板在耐磨减阻性能方面有显著的提升;对贝壳类和生物鳞甲的深入探索和实验研究得出了非光滑表面对减小摩擦具有显著效果的结论,通过减少触土部件的土壤粘附量,不仅可以使得农机零部件的使用寿命显著提高,而且对于改善农机零部件的耐磨性具有显著效果。

仿生学作为一门新兴学科,其发展迅速且应用范围较为广泛,已经渗入工程各领域,并有着重要的研究价值。

1仿生摩擦学的工程应用

生物经过长期的进化和竞争形成了优异的几何结构和多功能表面织构,生物的这些结构在其运动中能够起到一定的减阻、耐磨作用,因此对生物的研究有助于解决工程中的问题,例如,可以为机械的改形改性和材料的结构优化提供一定的参考。

(1)在减阻方面:蒋锐等以蟋嶂切齿叶为仿生原型设计了仿生灭茬刀片,蟋嶂坚硬的上颚可以咬碎食物,所以依据蟋嶂上颚的轮廓形状设计了仿生灭茬刀片,该仿生灭茬刀片的切削力比原型刀片的切削力降低了18.35%,起到了很好的减阻效果;牟介刚等[6]基于仿生凹坑表面的减阻特性,设计了一种可使叶片近壁面流体的流动得到控制的模型,流体对叶片的剪应力得到了减少,实现了减阻的效果。张勇等基于鲨鱼鳍的仿生学研究,设计了一种轿车尾底部附加装置,该装置可使气体、流体的分离量得到减少,避免了湍流涡流的形成,从而使流场结构得到改善,实现了减阻的效果。

(2)在耐磨方面:谭立东等观察到大树蛙运动过程中表现出很强的粘附力,依据树蛙趾端的结构轮廓形状设计了一种耐磨离合器摩擦片,该仿生摩擦片不仅能满足传递运动和转矩的要求,而且其疲劳寿命得到了提高;金敬福等基于蚯蚓体表背孔及机体耐磨特性的研究,设计了一种通孔结构的仿生试件,仿生试件在受到外力时可利用自身微应变来吸收应力,因此仿生试件比普通试件具有更明显的耐磨效果;吴波等基于土壤动物蚯蚓的耐磨体表结构的仿生学研究,设计了一种仿生活塞,该仿生活塞具有稳定性可靠、散热效率高以及热应力集中小的优点,能够更有效地应用于生活实践。

2减阻耐磨仿生结构发展展望

仿生学作为一门新兴学科,在近几十年间发展迅速,并且其应用范围较为广泛,在改善材料使用期限和解决工程问题等方面已经得到广泛应用。基于仿生学,以生物的结构和表面等为依据对传统机械进行改进,可以达到减阻耐磨的效果。近些年来,随着对生物表面和结构的深入研究,减阻耐磨仿生结构取得了突破性进展,解决了工程应用中的众多难题。在能源消耗日趋增大的今天,减阻耐磨仿生结构能大大降低能源消耗,改善结构特性等,因此,积极开展减阻耐磨仿生结构的研究与创新变得尤为重要。

对生物仿生结构的研究最终目的是服务于社会,使得仿生结构从实验室转移到工程中得到大规模应用,而这仍需要进一步的探索和研究。

地球上的生物在数亿年的进化和发展中逐渐与环境相适应,生物的各方面功能和结构都经历过大自然严酷而又激烈的竞争,都是精挑细选得来,同时,生物一直在不断地进化和发展,从而成为了减阻耐磨仿生结构的创新源泉,减阻耐磨结构的不断创新和发展必定会成为解决工程难题的重要推手。

3结论

(1)仿生技术在工程中得到了广泛的应用,可对机械结构进行改形改性:也可对材料拓扑结构和织构进行优化,改善其性能,以应用于生产实践。

(2)减阻耐磨仿生结构得益于其广泛的应用前景,再加上自然界生物的不断进化为其提供了不断创新的源泉,因此减阻耐磨仿生结构未来可期。