核電裝備關(guān)鍵構(gòu)件熱疲勞仿生防護(hù)技術(shù)

核電站有大量構(gòu)件工作在高溫、高壓、輻射等復(fù)雜環(huán)境中，構(gòu)件表面的熱疲勞問(wèn)題屬于世界性難題。本項(xiàng)目以核電裝備關(guān)鍵構(gòu)件為主要研究對(duì)象，以仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)、多尺度數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究為主要研究手段，研究了核電關(guān)鍵構(gòu)件的熱疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展機(jī)理與仿生防護(hù)技術(shù)等相關(guān)科學(xué)問(wèn)題。4年來(lái)，在基金委的資助和指導(dǎo)下，本項(xiàng)目超額完成了預(yù)定計(jì)劃。 首先建立了核電裝備流固界面熱沖擊問(wèn)題的物理模型，提出了無(wú)限元-有限元相結(jié)合的多尺度熱沖擊分析方法，解決了熱應(yīng)力分析的多尺度問(wèn)題，為仿生多級(jí)粗糙表面的熱沖擊研究奠定了理論基礎(chǔ)。研究表明，最大熱沖擊應(yīng)力發(fā)生在固體表面或者幾個(gè)毫米深度以內(nèi)，主要與熱沖擊溫度差有關(guān)，與熱沖擊時(shí)間幾乎無(wú)關(guān)。發(fā)現(xiàn)核電站核泵主軸、管道系統(tǒng)等高溫環(huán)境下工作的部件受冷卻水沖擊局部容易出現(xiàn)表面裂紋，提出了通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)表面微結(jié)構(gòu)提高熱防護(hù)能力、防止結(jié)構(gòu)熱疲勞損傷的新理念。研究發(fā)現(xiàn)，表面多級(jí)微結(jié)構(gòu)對(duì)降低冷水沖擊產(chǎn)生的表面熱應(yīng)力具有顯著效果，隨著邊界溫差的增大，粗糙結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)性能越來(lái)越明顯。此外，我們還研究了固體表面黏附層對(duì)于熱沖擊應(yīng)力的影響、碳納米管表面改性等熱沖擊防護(hù)問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)通過(guò)合理設(shè)計(jì)表面微結(jié)構(gòu)增加表面邊界層厚度能夠進(jìn)一步有效防止管路熱疲勞問(wèn)題。 在核主泵飛輪形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方面取得重要突破。核泵飛輪是核電安全的最后一道防線，要求壽命長(zhǎng)、可靠性高、慣性矩大。但是慣性矩和結(jié)構(gòu)壽命與可靠性是一對(duì)矛盾體，并且飛輪質(zhì)量受到了核主泵推力軸承承載能力的限制。我們?cè)诮o定飛輪質(zhì)量和設(shè)計(jì)壽命條件下，以慣性矩最大、結(jié)構(gòu)可靠性最好為協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)了飛輪結(jié)構(gòu)最優(yōu)形狀，不但在同等質(zhì)量下，可以提高慣性矩22%以上，而且大幅度提高了安全性。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的飛輪壽命達(dá)到無(wú)窮壽命，滿足了核電裝備安全壽命要求。比普通飛輪設(shè)計(jì)的使用壽命提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，為新型飛輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了全新思路和設(shè)計(jì)理念。該項(xiàng)成果已經(jīng)在國(guó)際結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化頂級(jí)雜志（SMO）上發(fā)表論文一篇，接受稿件一篇。 本項(xiàng)目在執(zhí)行期間，共完成和發(fā)表SCI收錄學(xué)術(shù)論文15篇，EI收錄論文2篇，參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)并宣讀論文5人次，其中2次小型會(huì)議特邀報(bào)告。申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利5項(xiàng)，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)。獲得遼寧省自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)一項(xiàng)。各項(xiàng)研究成果遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)期。 2100433B

核電站有大量構(gòu)件工作在高溫、高壓、輻射等復(fù)雜環(huán)境中，構(gòu)件表面經(jīng)常出現(xiàn)熱疲勞裂紋甚至熱疲勞斷裂，即使微小熱疲勞裂紋一旦遇到地震或其它突發(fā)外載荷作用也可能引發(fā)災(zāi)難性事故。由于核電裝備對(duì)材料成分要求嚴(yán)格，采用鍍膜等常規(guī)技術(shù)很難解決熱疲勞問(wèn)題，屬于世界性難題。本項(xiàng)目以核電裝備關(guān)鍵構(gòu)件為主要研究對(duì)象，以仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)、多尺度數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究為主要研究手段，研究核電關(guān)鍵構(gòu)件的熱疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展機(jī)理與仿生防護(hù)技術(shù)等相關(guān)科學(xué)問(wèn)題。受生物材料啟發(fā)，主要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)材料表面和亞表面幾何微結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)大幅度提高材料的抗熱沖擊和抗熱疲勞性能，從而起到事半功倍的效果。最終提出核電裝備關(guān)鍵構(gòu)件熱疲勞裂紋創(chuàng)新仿生防護(hù)技術(shù)，為我國(guó)核電技術(shù)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

第1章緒論

1.1仿生四足機(jī)器人概況

1.1.1仿生行走機(jī)構(gòu)

1.1.2仿生四足機(jī)器人

1.2脫粒技術(shù)概況

1.2.1脫粒技術(shù)

1.2.2種子玉米脫粒裝置

1.2.3種子玉米損傷籽粒發(fā)芽率研究

1.3生物結(jié)構(gòu)色與變色概況

1.3.1結(jié)構(gòu)色形成機(jī)理

1.3.2化學(xué)色形成機(jī)理

1.3.3結(jié)構(gòu)色類型

1.3.4蝴蝶鱗片微觀結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性

1.3.5生物色變色

1.4頸椎假體設(shè)計(jì)概況

1.4.1頸椎有限元建模方法

1.4.2頸椎假體設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)

第2章仿生行走技術(shù)

2.1山羊步態(tài)采集試驗(yàn)

2.1.1試驗(yàn)方法

2.1.2試驗(yàn)過(guò)程

2.1.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.2山羊坡地行走步態(tài)分析

2.2.16°坡地山羊上坡行走步態(tài)分析

2.2.26°坡地山羊下坡行走步態(tài)分析

2.2.318°坡地山羊上坡行走步態(tài)分析

2.2.418°坡地山羊下坡行走步態(tài)分析

2.2.536°坡地山羊上坡行走步態(tài)分析

2.2.636°坡地山羊下坡行走步態(tài)分析

2.2.7不同坡度步態(tài)分析

2.3山羊坡地運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析

2.3.1山羊身體結(jié)構(gòu)分析

2.3.2山羊步態(tài)運(yùn)動(dòng)影響因素

2.3.3山羊運(yùn)動(dòng)分析

2.3.4山羊力學(xué)分析

2.4仿山羊行走機(jī)構(gòu)研究

2.4.1仿山羊行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4.2仿山羊行走機(jī)構(gòu)三維實(shí)體建模

2.4.3仿山羊坡地行走機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真分析

2.5小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第3章仿生脫粒技術(shù)

3.1玉米果穗生物特性

3.1.1種子玉米穗特性分析

3.1.2種子玉米籽粒特性分析

3.2種子玉米籽粒力學(xué)特性

3.2.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.2.2結(jié)果分析

3.2.3籽粒裂紋分析

3.3玉米果穗離散特性

3.3.1玉米果穗籽粒組砌規(guī)律對(duì)其離散效果的影響

3.3.2玉米果穗離散分析

3.3.3玉米果穗籽粒間循環(huán)力衰敗分析

3.4玉米果穗裸手仿生差速脫粒

3.4.1玉米果穗籽粒裸手脫粒

3.4.2玉米果穗?yún)^(qū)間裸手脫粒效果分析

3.5玉米果穗雞喙啄籽仿生離散

3.5.1試驗(yàn)材料及設(shè)備

3.5.2試驗(yàn)方法

3.5.3雞喙啄食穗體籽粒的離散力學(xué)特征分析

3.6小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第4章仿生變色技術(shù)

4.1蝴蝶鱗片微觀耦合結(jié)構(gòu)

4.1.1蝴蝶鱗片形態(tài)與顏色

4.1.2蝴蝶鱗片微觀結(jié)構(gòu)

4.1.3蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)模型

4.2蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)色光學(xué)試驗(yàn)

4.2.1鱗片光學(xué)變色

4.2.2光學(xué)試驗(yàn)

4.2.3光學(xué)試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)色光學(xué)機(jī)理分析

4.3.1顏色的產(chǎn)生機(jī)制

4.3.2結(jié)構(gòu)色著色機(jī)理

4.3.3理論計(jì)算分析

4.3.4結(jié)構(gòu)色變色機(jī)理

4.4多層薄膜耦合結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)

4.4.1多層薄膜耦合結(jié)構(gòu)分析

4.4.2多層薄膜耦合仿生設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)

第5章仿生矯形技術(shù)

5.1醫(yī)學(xué)建模實(shí)例

5.1.1醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)采集

5.1.2逆向工程建模技術(shù)

5.1.3三維實(shí)體重建

5.1.4劃分網(wǎng)格與建立韌帶

5.1.5邊界條件設(shè)置

5.1.6模型驗(yàn)證

5.2單節(jié)段植入模型建立實(shí)例

5.3仿生融合器設(shè)計(jì)

5.3.1仿生融合器形狀設(shè)計(jì)

5.3.2仿生融合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.3.3仿生融合器表面形態(tài)設(shè)計(jì)(1)

5.3.4仿生融合器表面形態(tài)設(shè)計(jì)(2)

5.3.5仿生融合器表面形態(tài)設(shè)計(jì)(3)

5.4小結(jié)

參考文獻(xiàn)2100433B

在自然界中，生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，對(duì)生存環(huán)境具有高度的適應(yīng)性。生物的感知、指令、決策、反饋、運(yùn)動(dòng)等機(jī)能和外部器官的結(jié)構(gòu)為新產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)和發(fā)明創(chuàng)造提供了靈感，為人類解決科技難題提供了仿效對(duì)象，以此創(chuàng)造出的新理論和新技術(shù)，對(duì)仿生機(jī)械工程、生物制造工程、組織工程、醫(yī)學(xué)工程等相關(guān)工程學(xué)科的發(fā)展具有重大促進(jìn)作用。

本書對(duì)仿生行走技術(shù)、仿生脫粒技術(shù)、仿生變色技術(shù)三方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述。仿山羊坡地行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為今后仿山羊坡地行走機(jī)構(gòu)物理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有力的參考依據(jù)；仿鳥類喙部離散玉米、人類手工脫粒玉米機(jī)理的玉米果穗籽粒低損傷仿生脫粒設(shè)計(jì)為低損傷玉米種子脫粒機(jī)研究提供理論依據(jù)；仿蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)色變色機(jī)理的仿生多層膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為仿生變色結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

本著作理論與實(shí)踐相結(jié)合，內(nèi)容新穎，圖文并茂，具有先進(jìn)性、針對(duì)性和實(shí)用性的特點(diǎn)?？勺鳛楦叩绕胀ㄔ盒C(jī)械類工科專業(yè)有關(guān)仿生技術(shù)的教材，也可作為工程技術(shù)人員或相關(guān)研究者從事仿生設(shè)計(jì)和分析的技術(shù)參考書。

高速數(shù)控機(jī)床的高加速度、高精度特點(diǎn)要求機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件必須質(zhì)量小、剛性高。提高機(jī)床運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的比剛度成為高速機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要主題。生物體結(jié)構(gòu)是億萬(wàn)年自然選擇和生命進(jìn)化的結(jié)果，充分體現(xiàn)了自然進(jìn)化的趨向：用最少的結(jié)構(gòu)材料來(lái)承受最大的外力，也就是達(dá)到最高的比強(qiáng)度比剛度，或者說(shuō)最佳的結(jié)構(gòu)效能。本課題以提高機(jī)床運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的比剛度為目標(biāo)，研究結(jié)構(gòu)件仿生設(shè)計(jì)的理論、準(zhǔn)則和方法，進(jìn)行機(jī)床工作臺(tái)、橫梁、主軸箱等典型結(jié)構(gòu)件仿生設(shè)計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)中的框、肋、筋等結(jié)構(gòu)依據(jù)結(jié)構(gòu)仿生的原則布置和成型，以取得最佳的輕量化效果。對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以比剛度最高為目標(biāo)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。探討復(fù)雜仿生結(jié)構(gòu)的制造工藝，使結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)成果具有制造技術(shù)的支持，并對(duì)樣件進(jìn)行比剛度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本課題將進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的理論體系，提出結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則和方法，具有科學(xué)意義，研究成果在高性能高速機(jī)床結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用前景。 2100433B