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典型生物摩擦学结构及仿生

作　者: 陈东辉
导　师: 佟金
学　校: 吉林大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 生物摩擦学生物表面形态仿生学生物附着挤压成孔耕作机械
分类号: TB17
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

以生物在运动和生存中的附着形态特征为原型,通过足垫、生物钩等生物结构的摩擦学特性的分析和蝗虫、螽斯生物附着的实验研究,探索了生物附着过程的界面结构关系、作用副的接触行为、力学模型和摩擦学机理,提出了生物钩形作用关系模型、足垫与土壤作用关系模型、蝗虫跳跃的梯次驱动关系模型和螽斯在玻璃表面的附着关系模型,为相关技术领域的工程仿生实践提供理论依据。模仿家鼠爪趾生物钩形态所具有的挖掘属性,设计了仿生深松铲;运用众多土壤动物和土壤洞穴动物的脱附着特性设计了用于非开挖工程土壤中挤压成孔的工作部件;仿生结构部件的现场实用性试验表明,工程仿生结构在降低工作阻力方面具有优良的性能。

全文目录

提要  6-11
第一章绪论  11-35
  1.1 概述  11-13
  1.2 生物摩擦学与仿生摩擦学  13-15
  1.3 生物的附着与摩擦  15-31
    1.3.1 生物体结构  15-26
      1.3.1.1 脊椎动物  16-20
      1.3.1.2 无脊椎动物  20-24
      1.3.1.3 植物  24-26
    1.3.2 生物体表形态  26-30
    1.3.3 天然生物材料  30-31
  1.4 生物摩擦学和仿生摩擦学的研究内容与方法  31-33
  1.5 本论文工作的主要研究内容  33-35
第二章生物附着的理论分析  35-57
  2.1 固体粘附理论  35-43
    2.1.1 Hertz 接触理论  36-37
    2.1.2 JKR 接触理论  37-39
    2.1.3 DMT 接触理论  39
    2.1.4 M-D 理论  39-42
    2.1.5 几种接触理论之间的关系  42-43
  2.2 随机粗糙表面的接触与粘附  43-52
    2.2.1 随机粗糙表面的数学描述  43-48
      2.2.1.1 随机粗糙表面的统计描述  44-46
      2.2.1.2 接触表面的分形  46-48
    2.2.2 G-W 模型  48-49
    2.2.3 Persson 理论  49-50
    2.2.4 关于固体粘附理论问题的讨论  50-52
  2.3 固体的湿性附着  52-54
  2.4 生物的附着器官与接触力学适应性  54-55
  2.5 小结  55-57
第三章典型生物结构的摩擦学特征分析  57-77
  3.1 生物的钩形器官  57-63
  3.2 动物足垫的附着  63-73
    3.2.1 以土壤为基底的动物足垫与基底的作用关系  64-67
    3.2.2 昆虫足垫与植物茎叶基底的作用  67-71
    3.2.3 几种其他陆上动物足底与基底的作用关系  71-73
  3.3 动物体其他部位的摩擦与附着问题  73-75
  3.4 小结  75-77
第四章蝗虫跳跃过程的摩擦学行为分析  77-91
  4.1 蝗虫的生物特征分析  77-80
  4.2 多刚体系统动力学仿真原理  80-82
    4.2.1 数值计算的方法  80
    4.2.2 坐标的选择  80-81
    4.2.3 多刚体的自由度  81
    4.2.4 动力学方程的建立  81-82
    4.2.5 计算分析过程  82
  4.3 试验分析  82-87
    4.3.1 试验材料与试验方法  82-83
    4.3.2 高速摄像结果与分析  83-84
    4.3.3 蝗虫跳跃过程的计算机仿真分析  84-87
  4.4 蝗虫跳跃的摩擦学分析  87-90
    4.4.1 以松软地面为基底的跳跃行为  87-89
    4.4.2 以植物茎叶为基底的跳跃行为  89
    4.4.3 讨论  89-90
  4.5 小结  90-91
第五章螽斯足垫在玻璃表面附着的摩擦学分析  91-111
  5.1 材料与方法  93-95
  5.2 试验结果与分析  95-102
    5.2.1 螽斯足垫及接触表面的几何形态  95-96
    5.2.2 被附着物表面的形态  96-97
    5.2.3 螽斯足垫表面接触角的测量结果  97-98
    5.2.4 螽斯附着与摩擦试验的测试结果  98-102
      5.2.4.1 螽斯与直立平面间静态附着与摩擦  98-99
      5.2.4.2 螽斯与水平玻璃表面间的静态附着与摩擦  99-100
      5.2.4.3 足垫与玻璃表面间摩擦因数的动态测量  100-102
  5.3 讨论  102-109
    5.3.1 试验数据与附着理论估算结果的对比  102-107
      5.3.1.1 生物材料参数的引用  102-103
      5.3.1.2 试验数据分析  103-107
    5.3.2 附着状态的模型化分析  107-109
    5.3.3 生物类群的共性与仿生设想  109
  5.4 小结  109-111
第六章家鼠爪趾生物钩形结构及仿生深松铲设计  111-131
  6.1 深松铲设计的结构要素分析  112-113
  6.2 生物原型的分析  113-116
  6.3 深松铲的仿生结构设计  116-125
    6.3.1 总体设计  116-117
    6.3.2 铲尖设计  117-118
    6.3.3 铲柄设计  118-121
    6.3.4 深松铲柄设计实例  121-125
      6.3.4.1 准线方程的求取  121-122
      6.3.4.2 铲柄准线设计  122-125
  6.4 试验验证与讨论  125-130
    6.4.1 验证试验  126
    6.4.2 讨论  126-130
      6.4.2.1 切削刃口的形状  126-128
      6.4.2.2 切削刃口的磨损  128-130
  6.5 小结  130-131
第七章土壤中挤压成孔工作部件的仿生设计与试验研究  131-153
  7.1 土壤动物体表的脱土减阻机理  133-136
    7.1.1 体表疏水性及其脱土减阻机理  133-134
    7.1.2 体表几何结构形态及其脱土减阻机理  134
    7.1.3 体表生物电及生物微电渗脱土减阻机理  134-135
    7.1.4 体表柔性及脱土减阻机理  135-136
  7.2 挤压头的仿生设计  136-139
    7.2.1 生物体表的几何结构形态  136-137
    7.2.2 几何结构表面形态在触土部件上的应用  137
    7.2.3 挤压头的仿生设计  137-139
  7.3 挤压头成孔试验  139-144
    7.3.1 试验材料与方法  139-141
    7.3.2 试验结果与分析  141-143
    7.3.3 讨论  143-144
  7.4 土壤挤压成孔过程的三维有限元分析  144-147
    7.4.1 土壤的力学特征与参数  144
    7.4.2 有限元模性建立及边界条件确定  144-146
    7.4.3 计算结果与分析  146-147
  7.5 小结  147-148
  7.6 附图  148-153
第八章结论与展望  153-157
  8.1 主要研究结论  153-156
  8.2 展望  156-157
参考文献  157-172
攻读博士学位期间学术成果  172-175
致谢  175-176
摘要  176-179
ABSTRACT  179-183
导师和作者简介  183-189

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