高效切割刀具耦合仿生設計理論與技術方法結題摘要

本項目針對切割部件和挖掘機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計理論和方法研究。通過對狗獾牙齒的微觀結構、力學性能及組成成分進行分析，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的咬合曲線，研究了狗獾在咬合物體時的咬合力大小和特點?；谟嬎銠C斷層掃描和三維掃描技術，構建了狗獾頭部和爪趾模型，并進行優(yōu)化?；谟嬎銠C視覺技術和描點法，提取了狗獾犬齒和爪趾的特征曲線，并進行了擬合。通過三維計算機軟件，對所研究部件進行仿生設計，進行靜力學分析，并對所設計部件進行了再優(yōu)化。對所設計部件進行了加工，利用試驗優(yōu)化方法進行試驗臺切割與挖掘試驗，得到了所設計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 應力進行了分析，并對仿生鋸齒對切屑的影響進行了探討。對被切材料的斷面形貌進行了分析，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計理論與技術方法。利用等離子表面強化技術，將Ni60A-wt.%AlMgB14復合粉末噴涂于M42高速鋼表面，通過磨損試驗，探索了其磨損性能與機理。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。本項目以獾牙齒的生物學特性研究為切入點，探索高效切割刀具耦合仿生設計理論和技術方法。對獾牙齒結構、排列和咬合方式、材料特性，包括齒形輪廓、運動學特征、材料成分、構成方式、機械性能、摩擦學特性等進行研究，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構和材料耦合作用機理；在分析現(xiàn)有切割刀具失效行為的基礎上，以獾牙齒不同功能結構為原型，設計應用于龍門剪切機刀片、切割帶鋸、圓盤鋸三種具有不同運動特征的切割刀具仿生結構，采用模擬仿真方法對仿生結構進行優(yōu)化設計；制備仿生切割刀具樣品，采用機械合金化和等離子噴涂技術在樣品上制備AlMgB14陶瓷涂層，對樣品切割性能進行測試和分析；采用正交試驗設計、回歸預測等方法，研究仿生結構參數(shù)和涂層組織結構對切割刀具性能的耦合作用規(guī)律和影響機理，并形成系統(tǒng)的高效切割刀具耦合仿生設計理論與技術方法。

大自然永遠是人類最好的老師。那歷經(jīng)千萬年甚至幾億年形成的自然構造是經(jīng)歷了無數(shù)風雨的考驗才最終成形的，它的內(nèi)在規(guī)律、功能組織、線條韻律、結構形態(tài)都給現(xiàn)代設計極高的啟迪。同時，仿生設計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。 仿生學是模仿生物建造技術裝置的科學。生物在千萬年的進化過程中，為了適應環(huán)境而不斷完善自身的組織結構與性能，以獲得高效低耗、自我更新、新陳代謝、結構完整的保障系統(tǒng)，從而得以頑強的生存與繁衍，維持生物鏈的平衡與延續(xù)。建筑仿生學從自然界中汲取靈感再創(chuàng)造，以達到與自然生態(tài)環(huán)境相平衡、共發(fā)展的目標。 建筑仿生學的表現(xiàn)與應用方法，歸納起來大致有四個方面：城市環(huán)境仿生、使用功能仿生、建筑形式仿生、組織結構仿生。當然，在實際運用中，這四種仿生應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。 在建筑仿生設計中，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，設計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搶眼的尖角伸向天空。同時，勒氏說他要把朗香教堂做成一個“視覺領域的聽覺器件”，它應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計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。 形式上的仿生設計就更多了。如西班牙建筑師高迪在巴塞羅納設計了許多明顯具有動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北京奧運會主場館——鳥巢的設計，既像一個孕育生命的巢，又似一個搖籃，寄托著人類對未來的希望。 現(xiàn)代設計師扎哈·哈迪德設計的廣州大劇院，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。 在建筑仿生領域，運用得比較多的還有組織結構仿生。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計，而且埃羅·薩里寧和威廉·加德納還在結構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。航站樓應用這種結構肌理不僅解決了自由曲線造型的難題，而且還在結構與形式上達到有機地融合?？梢?，仿生設計并不需要為了建筑的造型而犧牲結構的合理性，相反，有機的結構與新穎的形式可以共生。 另外，根據(jù)生命體的內(nèi)在運行規(guī)律進行的設計，也是仿生設計當中一個重要的運用領域。比如美國建筑設計師威廉·麥克多諾設計的樹紋塔摩天大樓，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行光合作用，令建筑被植物圍繞，成為名副其實的綠色建筑。 此外，根據(jù)不同的仿生原理和用料，仿生設計還可以分為拱型結構類、薄殼結構類、充氣結構類、螺旋結構類、新陳代謝類等等。不管何種方式，自然界都以其獨特的構造與形式為我們展示解決問題的方法。 建筑仿生是21世紀建筑學領域的一項新運動。建筑仿生學理論結合了生物學、美學和自然界的規(guī)律。《師法自然 建筑仿生設計》一書從建筑的角度出發(fā)，展示現(xiàn)代仿生設計的精美成果。從來自世界各地著名設計師的精彩案例中，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，又能感受到內(nèi)部裝飾設計如何與建筑概念交相呼應的整體化設計。這里的仿生設計不僅具有功能性，符合項目周邊地理、氣侯、光照等自然環(huán)境特征，同時也是非常具有美學特質(zhì)的，觀之使人賞心悅目，用之感受舒適暢達，并能觸發(fā)更多靈感與想象。 仿生設計可以是多方面的，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，但同時也應尊重與遵循自然規(guī)律，這樣才能真是做到人宅相生，建筑與自然和諧共存。2100433B