高效切割刀具耦合仿生設(shè)計(jì)理論與技術(shù)方法

本項(xiàng)目針對切割部件和挖掘機(jī)斗齒在工作過程中所面臨的效率和壽命問題，開展仿生切割部件的設(shè)計(jì)理論和方法研究。通過對狗獾牙齒的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及組成成分進(jìn)行分析，研究了狗獾牙齒釉質(zhì)層和本質(zhì)層硬度的差異。通過咬合力傳感器測量狗獾咬合時(shí)的咬合曲線，研究了狗獾在咬合物體時(shí)的咬合力大小和特點(diǎn)?；谟?jì)算機(jī)斷層掃描和三維掃描技術(shù)，構(gòu)建了狗獾頭部和爪趾模型，并進(jìn)行優(yōu)化。基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和描點(diǎn)法，提取了狗獾犬齒和爪趾的特征曲線，并進(jìn)行了擬合。通過三維計(jì)算機(jī)軟件，對所研究部件進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，進(jìn)行靜力學(xué)分析，并對所設(shè)計(jì)部件進(jìn)行了再優(yōu)化。對所設(shè)計(jì)部件進(jìn)行了加工，利用試驗(yàn)優(yōu)化方法進(jìn)行試驗(yàn)臺切割與挖掘試驗(yàn)，得到了所設(shè)計(jì)仿生部件與市售對比部件的切割和挖掘參數(shù)。利用仿真模擬對鋸切削過程中的溫度場和切屑的Mises 應(yīng)力進(jìn)行了分析，并對仿生鋸齒對切屑的影響進(jìn)行了探討。對被切材料的斷面形貌進(jìn)行了分析，最終得到了適用于不同切削速度條件下的齒形參數(shù)。形成了系統(tǒng)的高效切割刀具耦合仿生設(shè)計(jì)理論與技術(shù)方法。利用等離子表面強(qiáng)化技術(shù)，將Ni60A-wt.%AlMgB14復(fù)合粉末噴涂于M42高速鋼表面，通過磨損試驗(yàn)，探索了其磨損性能與機(jī)理。耐磨涂層能夠有效降低試樣的磨損率和摩擦因數(shù)。 2100433B

現(xiàn)代新型材料和高性能材料的加工對切割刀具性能提出了更高的要求。本項(xiàng)目以獾牙齒的生物學(xué)特性研究為切入點(diǎn)，探索高效切割刀具耦合仿生設(shè)計(jì)理論和技術(shù)方法。對獾牙齒結(jié)構(gòu)、排列和咬合方式、材料特性，包括齒形輪廓、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、材料成分、構(gòu)成方式、機(jī)械性能、摩擦學(xué)特性等進(jìn)行研究，分析其在切割食物過程中低阻力、低功耗和低磨損特性以及結(jié)構(gòu)和材料耦合作用機(jī)理；在分析現(xiàn)有切割刀具失效行為的基礎(chǔ)上，以獾牙齒不同功能結(jié)構(gòu)為原型，設(shè)計(jì)應(yīng)用于龍門剪切機(jī)刀片、切割帶鋸、圓盤鋸三種具有不同運(yùn)動(dòng)特征的切割刀具仿生結(jié)構(gòu)，采用模擬仿真方法對仿生結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；制備仿生切割刀具樣品，采用機(jī)械合金化和等離子噴涂技術(shù)在樣品上制備AlMgB14陶瓷涂層，對樣品切割性能進(jìn)行測試和分析；采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、回歸預(yù)測等方法，研究仿生結(jié)構(gòu)參數(shù)和涂層組織結(jié)構(gòu)對切割刀具性能的耦合作用規(guī)律和影響機(jī)理，并形成系統(tǒng)的高效切割刀具耦合仿生設(shè)計(jì)理論與技術(shù)方法。

大自然永遠(yuǎn)是人類最好的老師。那歷經(jīng)千萬年甚至幾億年形成的自然構(gòu)造是經(jīng)歷了無數(shù)風(fēng)雨的考驗(yàn)才最終成形的，它的內(nèi)在規(guī)律、功能組織、線條韻律、結(jié)構(gòu)形態(tài)都給現(xiàn)代設(shè)計(jì)極高的啟迪。同時(shí)，仿生設(shè)計(jì)也是人類為了與自然生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，保持生態(tài)平衡所做的努力和探求的方法。 仿生學(xué)是模仿生物建造技術(shù)裝置的科學(xué)。生物在千萬年的進(jìn)化過程中，為了適應(yīng)環(huán)境而不斷完善自身的組織結(jié)構(gòu)與性能，以獲得高效低耗、自我更新、新陳代謝、結(jié)構(gòu)完整的保障系統(tǒng)，從而得以頑強(qiáng)的生存與繁衍，維持生物鏈的平衡與延續(xù)。建筑仿生學(xué)從自然界中汲取靈感再創(chuàng)造，以達(dá)到與自然生態(tài)環(huán)境相平衡、共發(fā)展的目標(biāo)。 建筑仿生學(xué)的表現(xiàn)與應(yīng)用方法，歸納起來大致有四個(gè)方面：城市環(huán)境仿生、使用功能仿生、建筑形式仿生、組織結(jié)構(gòu)仿生。當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)用中，這四種仿生應(yīng)用方法也會以綜合的形式出現(xiàn)，形成城市與建筑的仿生整體。 在建筑仿生設(shè)計(jì)中，功能仿生與形式仿生是最常見的。它從自然生命和物質(zhì)中汲取靈感，使建筑布局更具新意，外型或內(nèi)部構(gòu)造呈現(xiàn)出非凡的親和力。法國建筑師勒·柯布西耶從蟹殼中獲取無窮靈感，設(shè)計(jì)了聞名于世的朗香教堂，他將屋頂?shù)母鬟呄蛏蠌澢?，并在一個(gè)邊角上，兩邊鼓起來的屋檐夾著向內(nèi)收弧的白墻形成一個(gè)搶眼的尖角伸向天空。同時(shí)，勒氏說他要把朗香教堂做成一個(gè)“視覺領(lǐng)域的聽覺器件”，它應(yīng)該像人的聽覺器官一樣柔軟、微妙、精確和不容改變（《勒.柯布西耶全集1946—1952》）。朗香教堂的平面呈現(xiàn)出模擬人的耳朵的形態(tài)，它也象征著上帝可以傾聽基督教徒的祈禱。 芬蘭著名建筑師阿爾托設(shè)計(jì)的德國不來梅市的高層公寓的平面就是仿自蝴蝶的原型，他把建筑的服務(wù)部分與臥室部分比作蝶身與翅膀，不僅使內(nèi)部空間布局新穎，而且也使建筑的造型變得更為豐富。 形式上的仿生設(shè)計(jì)就更多了。如西班牙建筑師高迪在巴塞羅納設(shè)計(jì)了許多明顯具有動(dòng)物骨骼形式的公寓建筑，隱喻著這座海濱城市戰(zhàn)勝蛟龍的古老傳說。1904—1906年建的巴特洛公寓和1910年建的米拉公寓均是形式仿生的代表之作。 雅克·赫爾佐格、德梅隆與李興剛合作完成的2008北京奧運(yùn)會主場館——鳥巢的設(shè)計(jì)，既像一個(gè)孕育生命的巢，又似一個(gè)搖籃，寄托著人類對未來的希望。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)師扎哈·哈迪德設(shè)計(jì)的廣州大劇院，從海珠石的傳說和中國園林中汲取靈感，其外形如“圓潤雙礫”，就像兩塊置于平緩山丘上的靈石。 在建筑仿生領(lǐng)域，運(yùn)用得比較多的還有組織結(jié)構(gòu)仿生。比如著名的紐約環(huán)球航空公司航站樓不僅在外形上采用仿生設(shè)計(jì)，而且埃羅·薩里寧和威廉·加德納還在結(jié)構(gòu)上建造四瓣組合式薄殼，中間有縫隙采光，四瓣薄殼則由下部的丫形柱支撐，這與人的頭蓋骨的拼合極為相似。航站樓應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)肌理不僅解決了自由曲線造型的難題，而且還在結(jié)構(gòu)與形式上達(dá)到有機(jī)地融合。可見，仿生設(shè)計(jì)并不需要為了建筑的造型而犧牲結(jié)構(gòu)的合理性，相反，有機(jī)的結(jié)構(gòu)與新穎的形式可以共生。 另外，根據(jù)生命體的內(nèi)在運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行的設(shè)計(jì)，也是仿生設(shè)計(jì)當(dāng)中一個(gè)重要的運(yùn)用領(lǐng)域。比如美國建筑設(shè)計(jì)師威廉·麥克多諾設(shè)計(jì)的樹紋塔摩天大樓，充分將太陽能和自然光引入大廈之中，既解決了采光、節(jié)能的問題，還使大廈中的植物有足夠的陽光進(jìn)行光合作用，令建筑被植物圍繞，成為名副其實(shí)的綠色建筑。 此外，根據(jù)不同的仿生原理和用料，仿生設(shè)計(jì)還可以分為拱型結(jié)構(gòu)類、薄殼結(jié)構(gòu)類、充氣結(jié)構(gòu)類、螺旋結(jié)構(gòu)類、新陳代謝類等等。不管何種方式，自然界都以其獨(dú)特的構(gòu)造與形式為我們展示解決問題的方法。 建筑仿生是21世紀(jì)建筑學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)新運(yùn)動(dòng)。建筑仿生學(xué)理論結(jié)合了生物學(xué)、美學(xué)和自然界的規(guī)律。《師法自然 建筑仿生設(shè)計(jì)》一書從建筑的角度出發(fā)，展示現(xiàn)代仿生設(shè)計(jì)的精美成果。從來自世界各地著名設(shè)計(jì)師的精彩案例中，既可以看到建筑外形如何與環(huán)境和諧相融，內(nèi)部構(gòu)造與空間功能如何完美匹配，室內(nèi)家具如何符合人體工程學(xué)，又能感受到內(nèi)部裝飾設(shè)計(jì)如何與建筑概念交相呼應(yīng)的整體化設(shè)計(jì)。這里的仿生設(shè)計(jì)不僅具有功能性，符合項(xiàng)目周邊地理、氣侯、光照等自然環(huán)境特征，同時(shí)也是非常具有美學(xué)特質(zhì)的，觀之使人賞心悅目，用之感受舒適暢達(dá)，并能觸發(fā)更多靈感與想象。 仿生設(shè)計(jì)可以是多方面的，也可以是綜合性的，人們可以從自然界中吸收一切有用的元素作為創(chuàng)作靈感，但同時(shí)也應(yīng)尊重與遵循自然規(guī)律，這樣才能真是做到人宅相生，建筑與自然和諧共存。2100433B