《仿生表面形貌增摩增阻機理研究》是依託山東科技大學，由肖林京擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：仿生表面形貌增摩增阻機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：肖林京
- 依託單位：山東科技大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
利用摩擦力來傳遞動力和防止滑動的套用極為廣泛，許多動物具有很強的攀爬附著能力，利用仿生技術研究其增摩增阻機理，具有重要的理論意義和實際套用價值。近年來仿生摩擦學的研究主要集中在減摩、減粘、減阻、脫附理論等方面，而本項目是針對增摩增阻機理的研究；而對於機械摩擦傳動主要集中在新材料方面的研究，本項目利用仿生技術研究摩擦表面形貌，是一種新的研究思路和方法。以龍虱、螞蟻和蜜蜂等腳部的可變形柔性表皮墊子為仿生對象，分析研究攀爬粘附機理，構建仿生增摩表面，建立仿生柔性表面－柔性表面、仿生柔性表面－剛性表面摩擦學模型。利用理論分析和實驗研究方法，採用回歸正交實驗，研究在平面摩擦和圓弧摩擦傳動情況下，仿生摩擦表面形態、結構參數、排列方式、材料特性等對摩擦特性的影響，對仿生表面形貌的增摩機理進行系統的研究和分析，揭示粘著係數與各影響因素之間的內在規律，為摩擦傳動和增阻防滑表面的設計與套用提供可靠的理論依據。
結題摘要
本項目對螞蟻、蜜蜂、蒼蠅、蝗蟲和樹蛙等典型攀爬動物足部的柔性表皮墊進行了深入研究，將動物足墊結構分為剛毛型結構、光滑表皮墊結構和吸附結構，並分析了這三種結構的摩擦機理及結構特徵。剛毛型足墊與接觸面之間的作用力主要由吸附力、范德華力（不分泌粘液）、毛細作用力（分泌粘液）；光滑型足墊與接觸面之間除了濕粘附以外，還有界面摩擦力和柔性互鎖作用；吸盤型足墊與接觸面之間產生真空吸附作用力。利用工程仿生學的知識，根據蒼蠅剛毛末端的凹坑型足墊結構，設計了具有凹坑式吸盤結構的仿生表面；根據樹蛙的六稜柱凸起形狀，設計了具有六稜柱凸起的仿生表面；根據蝗蟲足墊所具有的球形凸起形態和排列結構，拓展設計了圓柱形凸起、凸台形凸起和球冠形凸起結構的仿生表面系列。利用接觸力學及摩擦學的知識，分析了仿生表面的增摩機理及影響因素，推導了仿生表面與接觸面之間摩擦力及摩擦係數的計算公式。理論研究表明：在一定的壓力下，凸起形仿生表面與其他柔性表面接觸時，會產生鑲嵌嚙合效應，凹坑形仿生表面與接觸面之間產生真空吸附效應，這是仿生表面具有增摩效果的主要原因。仿生表面的增摩效果與外界的壓力、單元體的分布密度、尺寸、排列方式等有關，且它們之間是相互關聯的，具有一定的耦合關係。利用ANSYS軟體對凸起形仿生表面進行了模擬仿真，分析了球冠形、圓柱形、圓台形等單個凸起及多個凸起在不同壓力作用下與柔性表面接觸時的變形情況。並分析了形狀、分布密度等對摩擦力的影響。在同等條件下，球冠形凸起的增摩效果比較好，矩形排列方式增摩效果較差。對同一仿生表面，有一最佳壓力，可使其達到最大的增摩效果。 利用自製平面摩擦試驗台對幾種仿生表面進行了試驗，得出了不同形狀、不同分布密度、不同壓力、不同排列方式、不同硬度等因素與摩擦力的關係圖。將仿生表面貼上在驅動滾筒表面，得到了仿生驅動滾筒，利用帶式輸送機試驗台，進行了圓弧摩擦試驗，與光滑表面相比，仿生表面的摩擦係數最大增加了16.7%。將仿生驅動滾筒套用到現場，摩擦係數增大了10%左右。綜上所述，本項目綜合利用多種學科知識，設計了仿生增摩表面，並利用理論分析、模擬仿真、試驗的方法，研究了仿生表面的增摩機理及影響因素，並在現場套用中取得了較好的效果。今後還需要在產品的系列化、製備工藝方面做更深入的研究。
