核電裝備關(guān)鍵構(gòu)件熱疲勞仿生防護技術(shù)結(jié)題摘要

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)件表面的熱疲勞問題屬于世界性難題。本項目以核電裝備關(guān)鍵構(gòu)件為主要研究對象，以仿生優(yōu)化設(shè)計、多尺度數(shù)值分析和實驗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、擴展機理與仿生防護技術(shù)等相關(guān)科學問題。4年來，在基金委的資助和指導(dǎo)下，本項目超額完成了預(yù)定計劃。 首先建立了核電裝備流固界面熱沖擊問題的物理模型，提出了無限元-有限元相結(jié)合的多尺度熱沖擊分析方法，解決了熱應(yīng)力分析的多尺度問題，為仿生多級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毫米深度以內(nèi)，主要與熱沖擊溫度差有關(guān)，與熱沖擊時間幾乎無關(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，提出了通過優(yōu)化設(shè)計表面微結(jié)構(gòu)提高熱防護能力、防止結(jié)構(gòu)熱疲勞損傷的新理念。研究發(fā)現(xiàn)，表面多級微結(jié)構(gòu)對降低冷水沖擊產(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)的熱防護性能越來越明顯。此外，我們還研究了固體表面黏附層對于熱沖擊應(yīng)力的影響、碳納米管表面改性等熱沖擊防護問題，發(fā)現(xiàn)通過合理設(shè)計表面微結(jié)構(gòu)增加表面邊界層厚度能夠進一步有效防止管路熱疲勞問題。 在核主泵飛輪形狀優(yōu)化設(shè)計方面取得重要突破。核泵飛輪是核電安全的最后一道防線，要求壽命長、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。我們在給定飛輪質(zhì)量和設(shè)計壽命條件下，以慣性矩最大、結(jié)構(gòu)可靠性最好為協(xié)同設(shè)計優(yōu)化目標，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)計后的飛輪壽命達到無窮壽命，滿足了核電裝備安全壽命要求。比普通飛輪設(shè)計的使用壽命提高了幾個數(shù)量級，為新型飛輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了全新思路和設(shè)計理念。該項成果已經(jīng)在國際結(jié)構(gòu)與多學科優(yōu)化頂級雜志（SMO）上發(fā)表論文一篇，接受稿件一篇。 本項目在執(zhí)行期間，共完成和發(fā)表SCI收錄學術(shù)論文15篇，EI收錄論文2篇，參加國際學術(shù)會并宣讀論文5人次，其中2次小型會議特邀報告。申請國家發(fā)明專利5項，授權(quán)國家發(fā)明專利1項。獲得遼寧省自然科學獎二等獎一項。各項研究成果遠超過預(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。由于核電裝備對材料成分要求嚴格，采用鍍膜等常規(guī)技術(shù)很難解決熱疲勞問題，屬于世界性難題。本項目以核電裝備關(guān)鍵構(gòu)件為主要研究對象，以仿生優(yōu)化設(shè)計、多尺度數(shù)值分析和實驗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、擴展機理與仿生防護技術(shù)等相關(guān)科學問題。受生物材料啟發(fā)，主要通過優(yōu)化設(shè)計材料表面和亞表面幾何微結(jié)構(gòu)來實現(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)新仿生防護技術(shù)，為我國核電技術(shù)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

第1章緒論

1.1仿生四足機器人概況

1.1.1仿生行走機構(gòu)

1.1.2仿生四足機器人

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)色形成機理

1.3.2化學色形成機理

1.3.3結(jié)構(gòu)色類型

1.3.4蝴蝶鱗片微觀結(jié)構(gòu)與光學特性

1.3.5生物色變色

1.4頸椎假體設(shè)計概況

1.4.1頸椎有限元建模方法

1.4.2頸椎假體設(shè)計

參考文獻

第2章仿生行走技術(shù)

2.1山羊步態(tài)采集試驗

2.1.1試驗方法

2.1.2試驗過程

2.1.3試驗數(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山羊坡地運動機理分析

2.3.1山羊身體結(jié)構(gòu)分析

2.3.2山羊步態(tài)運動影響因素

2.3.3山羊運動分析

2.3.4山羊力學分析

2.4仿山羊行走機構(gòu)研究

2.4.1仿山羊行走機構(gòu)設(shè)計

2.4.2仿山羊行走機構(gòu)三維實體建模

2.4.3仿山羊坡地行走機構(gòu)動態(tài)仿真分析

2.5小結(jié)

參考文獻

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種子玉米籽粒力學特性

3.2.1試驗準備

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試驗材料及設(shè)備

3.5.2試驗方法

3.5.3雞喙啄食穗體籽粒的離散力學特征分析

3.6小結(jié)

參考文獻

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)色光學試驗

4.2.1鱗片光學變色

4.2.2光學試驗

4.2.3光學試驗結(jié)果與分析

4.3蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)色光學機理分析

4.3.1顏色的產(chǎn)生機制

4.3.2結(jié)構(gòu)色著色機理

4.3.3理論計算分析

4.3.4結(jié)構(gòu)色變色機理

4.4多層薄膜耦合結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計

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

參考文獻

第5章仿生矯形技術(shù)

5.1醫(yī)學建模實例

5.1.1醫(yī)學圖像數(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模型驗證

5.2單節(jié)段植入模型建立實例

5.3仿生融合器設(shè)計

5.3.1仿生融合器形狀設(shè)計

5.3.2仿生融合器結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.3.3仿生融合器表面形態(tài)設(shè)計(1)

5.3.4仿生融合器表面形態(tài)設(shè)計(2)

5.3.5仿生融合器表面形態(tài)設(shè)計(3)

5.4小結(jié)

參考文獻2100433B

在自然界中，生物經(jīng)過億萬年的進化，對生存環(huán)境具有高度的適應(yīng)性。生物的感知、指令、決策、反饋、運動等機能和外部器官的結(jié)構(gòu)為新產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計和發(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象，以此創(chuàng)造出的新理論和新技術(shù)，對仿生機械工程、生物制造工程、組織工程、醫(yī)學工程等相關(guān)工程學科的發(fā)展具有重大促進作用。

本書對仿生行走技術(shù)、仿生脫粒技術(shù)、仿生變色技術(shù)三方面進行了詳細的論述。仿山羊坡地行走機構(gòu)設(shè)計為今后仿山羊坡地行走機構(gòu)物理樣機的結(jié)構(gòu)設(shè)計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理的玉米果穗籽粒低損傷仿生脫粒設(shè)計為低損傷玉米種子脫粒機研究提供理論依據(jù)；仿蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)色變色機理的仿生多層膜結(jié)構(gòu)設(shè)計為仿生變色結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

本著作理論與實踐相結(jié)合，內(nèi)容新穎，圖文并茂，具有先進性、針對性和實用性的特點?？勺鳛楦叩绕胀ㄔ盒C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)計和分析的技術(shù)參考書。

高速數(shù)控機床的高加速度、高精度特點要求機床運動部件必須質(zhì)量小、剛性高。提高機床運動構(gòu)件的比剛度成為高速機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要主題。生物體結(jié)構(gòu)是億萬年自然選擇和生命進化的結(jié)果，充分體現(xiàn)了自然進化的趨向：用最少的結(jié)構(gòu)材料來承受最大的外力，也就是達到最高的比強度比剛度，或者說最佳的結(jié)構(gòu)效能。本課題以提高機床運動構(gòu)件的比剛度為目標，研究結(jié)構(gòu)件仿生設(shè)計的理論、準則和方法，進行機床工作臺、橫梁、主軸箱等典型結(jié)構(gòu)件仿生設(shè)計，對結(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。對設(shè)計結(jié)果進行仿真驗證，以比剛度最高為目標，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)計成果具有制造技術(shù)的支持，并對樣件進行比剛度實驗驗證。本課題將進一步完善結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計的理論體系，提出結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計的準則和方法，具有科學意義，研究成果在高性能高速機床結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計中具有重要的應(yīng)用前景。 2100433B