具有仿生表面结构减阻性能的数值模拟研究
研究探讨
具有仿生表面结构转杯减阻
性能的数值模拟研究
史婷婷,孙志宏
(东华大学,上海201620)
摘 要:基于微小非光滑沟槽表面具有湍流减阻的特性的基本思想,将高速转杯表面布置不同尺寸的三角形沟槽。采用RNG k 模型对其三维流场进行模拟,分别计算光滑转杯与非光滑转杯总阻力系数,对比二者壁面剪应力大小,得出转杯壁面布有微小非光滑沟槽能够起到一定的减阻效果,沟槽深度和间隔均对总阻力产生影响,与光滑转杯相比最大减阻率为1 281%。
关键词:转杯;非光滑沟槽表面;减阻;数值模拟
中图分类号:T S101.2 文献标识码:A 文章编号:1009 3028(2009)03 0001 04
转杯纺纱机是目前各种新型纺纱中最为成熟
的一种纺纱技术。目前,转杯纺纱已从转速3万
rpm发展到了高达16万rpm。在如此高速的纺
纱过程中,转杯的动能消耗最大,占到了整机的
50%以上。这些能量主要用于克服:支撑轴承间
的摩擦、传动龙带的阻力,以及纺杯受到的空气阻力。如何降低转杯纺纱中的能量消耗,达到节能的目的,是现代转杯纺纱机械中的研究重点之一。而目前就轴承摩擦、传动龙带的阻力,研究人员已经采取了有效的降低能耗的措施。本文就如何减小转杯自身的空气阻力提出了在转杯表面增加仿生结构,以降低转杯在高速旋转过程中受到的空气阻力。通过添加非光滑三角沟槽结构改变转杯外壁面结构,以研究不同沟槽尺寸对转杯在纺纱腔内阻力的影响,并采用CFD软件对比分析光滑转杯与非光滑转杯工作状态下的流场,对非光滑转杯的减阻特性进行数值模拟分析。
1 数值模拟
1.1 物理模型的建立
转杯分为自排风式和抽气式两种类型,根据转杯纺纱发展的最新方向,以抽气式转杯为例,如图1所示。
抽气式是利用风机从转杯内集体吸风,使气
收稿日期:2009 04 09
作者简介:史婷婷(1983 ),女,新疆乌鲁木齐人,硕士研究生。流从转杯顶部与固定罩盖的间隙中被抽走,从而在转杯内形成负压,将输送管内的纤维吸入纺杯,并不断沿转杯壁面滑移至转杯凝聚槽内,形成周向排列的须条。在此过程中,转杯高速回转,其转速根据纤维长度的不同在30000~150000rpm之间变化。
图1 抽气式纺纱杯
转杯纺纱中,转杯是置于半密封纺纱腔内,如图2所示,转杯直径为 36m m,腔体直径为 80 mm,抽风口直径为 15mm,纤维输送通道为渐缩口,依靠截面积渐变提高气流速度,使棉纤维不断伸直滑移至转杯内。
图2 转杯纺纱装置实体图
转杯在纺纱器高速回转时,受到气流对其壁面产生的摩擦阻力。利用改变表面形体结构减阻的思想,改变现有转杯的壁面结构,将非光滑表面形态布置于转杯上锥体外壁处。
1.2 控制方程和湍流模型
在进行流场分析时,认为空气是定长、不可压
缩、恒温流体,即流场是稳定的,各流动物理量不随时间变化;空气的密度和粘性等物理性质不随时间变化;不涉及传热问题;流场等温及气流介质各向同性。计算所需控制方程采用三维不可压缩的连续性方程和Nav ier Sto kes动量守恒方程。连续性方程为:
!
t+div(!u)=0
Nav ier Sto kes动量守恒方程为
(!u i)
+div(!uu i)=div(?grad u i)-p
i
+S i
式中,!为流体密度,t为时间,u为速度矢量,?为流体动力粘度,p为流体微元上的压力,S i为广义源项。
湍流模型选用RN G k 模型,它通过修正湍动粘度,考虑了平均流动中的旋转及旋转流动情况,更好地处理流线弯曲程度加大的流动。因此,对强旋转流动的计算精度比较高。
RNG k 模型k方程为:
(!k) t+(!ku i) x i=
x j#k?+!C?k2
k
x j+G k-!
RNG k 模型 方程为:
(! ) t+(! u i) x i=
x j# ?+!C?k2
x j+
C*1
k
G k-C2 !
2
k
式中,C?=0 0845,#k=# =1 39,C*1 =C1 -?(1-?/?0)
1+%?3
,C1 =1 42,C2 =1 68,?=(2E ij
E ij)12k
,E ij=
1
2
u i
x j+
u j
x i,?0=4 377,%=
0 012。
1.3 计算流域及网格划分
为了模拟转杯纺纱器内部的三维流场,根据图2所示的纺纱器内腔实体模型,将其简化、转化成图3所示的纺纱器内腔的计算模型。
改变转杯表面的微观结构,在其锥形表面均匀排布一定数量的三角形沟槽
,建立非光滑转杯的计算模型如图4(a),沟槽形状如图4(b)所示,其中沟槽三角形顶角为#=60!,三角形沟槽深度h,沟槽间隔为s,通过改变h、s分析沟槽尺寸对转杯外表面空气阻力的影响。计算模型三角形沟槽尺寸如表1、表2所示。
表1 三角形沟槽尺寸
沟槽间隔(mm)沟槽深度h(m m)
1.50.20.30.40.50.6
表2 三角形沟槽尺寸
沟槽深度(mm)沟槽间隔s(mm)
0.40.8 1.0 1.2 1.5 1.8
上述模型计算区域采用四面体和三棱柱非结构体网格进行离散化处理。对非光滑转杯而言,其表面具有微小沟槽结构。在生成网格时为了保证计算精度较高,对于流场变化大的非光滑表面区域需要采用局部网格细化处理,利用尺寸函数功能(size function)加密非光滑转杯处网格,使得整个计算域网格的过度和分布更加合理,提高网格质量。除了非光滑转杯表面区域外,光滑转杯和非光滑转杯的网格参数相同。
1.4 边界条件的设置
在计算模型中,根据转杯纺纱工艺,取纤维输送口为入口边界,设置入口边界条件为速度进口,给定气流流速初值为48 5m/s;取吸风口为出口边界,设置出口边界条件为压力出口,给定压力大小为5000Pa;由于转杯在纺纱过程中处于高速旋转状态,设置转杯外壁为固体壁面边界,并绕y 轴高速旋转,转速为100000rpm。其余壁面施加无滑移壁面边界条件。计算温度为室温20?,流体介质为空气,动力粘度?=17 9#10-6Pa s,运动粘度v=14 8#10-6m2/s。
1.5 模拟结果及分析
1.5.1 沟槽深度和沟槽宽度分别对阻力系数的
影响
分别对表1、表2所述10种不同尺寸的非光滑转杯和光滑转杯进行计算,得出各模型转杯壁
面处阻力系数C f,即C f=
D
1
2
!V2A
,其中D为转
杯所受总阻力大小,A为转杯在y轴方向上的投影面积。根据上式进行数值模拟所得光滑转杯的总阻力系数为1 9357,非光滑模型总阻力系数分别如表3、表4、图5(a)、图5(b)所示。
表3 转杯壁面处阻力系数
项目沟槽深度h(m m)
沟槽间隔
s=1.5mm
0.20.30.40.50.6
总阻力系数C 1.9495 1.9156 1.9111 1.9152 1.9412减阻率(%)0.713-1.038-1.270-1.0590.284
表4 转杯壁面处阻力系数
项目沟槽间隔s(mm)
沟槽深度
h=0.4mm
0.8 1.0 1.2 1.5 1.8
总阻力系数 1.9130 1.9152 1.9109 1.9111 1.9181减阻率(%)-1.173-1.059-1.281-1.271-0.909 由表3和图5(a)可以看出,当沟槽间隔保持s=1 5mm,改变沟槽嵌入转杯表面的深度时,除h=0 2,0 6mm的三角沟槽转杯表面总阻力略有增加外,其余三种表面总阻力均有一定的减小,并且减阻率随沟槽深度呈现先减小再增大的趋势,其中h=0 4m m的三角形沟槽转杯表面总阻力减小最多,达到1 270%。
由表4和图5(b)可以看出,当沟槽深度保持h=0 4mm不变时,间隔s为0 8~1 8m m的所有非光滑转杯表面总阻力均有不同程度的减小,减阻率随沟槽间隔的变化呈现出先减小后增大的趋势,其中s=1 2、1 5m m时,转杯总阻力系数较低,最低减阻率达到1 281%。由此可知,适度改变高速转杯表面形态可以起到减小转杯自身空气阻力的作用,从而降低高速转杯纺纱机整机的动力消耗。
1.5.2 剪应力分析
对于在纺纱器内高速旋转的转杯来说,它在纺纱器内所受的空气阻力,主要是来源于空气对转杯壁面的摩擦阻力。摩擦阻力主要是物体表面剪切力产生的流动阻力,所以转杯壁面的剪切应力大小,可以反映出转杯壁面所受空气阻力的情况。图6(a)和图6(b)所示分别为表面光滑转杯与表面排布三角形沟槽非光滑转杯的壁面剪应力云图。通过对比两图可以明显看出,在非光滑转杯三角形沟槽处的壁面剪应力小于光滑转杯相同位置处的壁面剪应力,并且沿三角形边线方向剪应力逐渐减小,靠近三角形沟槽底部剪应力最小,最低剪应力大小为30 73N/m2
。
2 结论
2.1 依据仿生学非光滑表面减阻的思想,将不同尺寸的三角沟槽布置于高速纺纱转杯外表面,经过软件数值模拟发现,非光滑表面在高速转杯纺纱过程中对转杯自身的空气阻力能够起到一定的减阻作用,通过对比剪应力云图看出在沟槽内部剪应力明显降低。
C.I.分散蓝79染料球磨工艺
对聚乳酸纤维染色性能的影响
赵 岩,傅忠君,徐丽娟,于鲁汕
(山东理工大学,山东淄博255091)
摘 要:文章通过试验探讨C.I.分散蓝79染料球磨条件,包括球磨时间、固含量、分散剂、球磨介质及与染料质量比。然后对不同球磨条件试验所得染料进行染色试验,研究其在聚乳酸纤维上的上色率,综合球磨和染色试验结果,优化确定了较好的C.I.分散蓝79染料球磨配方及工艺条件。
关键词:分散蓝;聚乳酸纤维;球磨;分散剂;上色率
中图分类号:T S193.63+8 文献标识码:A 文章编号:1009 3028(2009)03 0004 04
聚乳酸纤维是利用玉米淀粉降解所得的乳酸进行聚合后所得的聚乳酸树脂加工所得。聚乳酸纤维有着良好的强力、吸水性、透气性,但是由于其染色上色率不高、耐碱性、耐高温性较差等问题,使其难以大规模地应用于实际的生产中。
收稿日期:2009 03 16
作者简介:赵 岩(1984 ),男,内蒙古锡林浩特人,硕士研究生。
本文以C.I.分散蓝79为例,通过调整分散染料的球磨工艺和助剂配方,寻找适用于聚乳酸纤维的分散染料剂型。
1 实验部分
1.1 实验仪器
2.2 通过模拟不同深度、间隔的沟槽表面发现沟槽尺寸对阻力减小情况有明显影响,当保持沟槽间隔1 5m m不变时,得到沟槽深度为0 4mm,减阻率最高达1 270%;当保持沟槽深度0 4mm 不变时,得到沟槽间隔为1 2mm,减阻率最高达1 281%。
参考文献:
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riblets[R].AIAA Paper1982,82 0169.
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C N101363149,2008 08 29.
[7] 侯晖昌.减阻力学[M].北京:科学出版社,1987.
Numerical Simulation on Drag Reduction of Rotors with Non smooth Surface
SH I T ing ting,S UN Zhi hong
(Do ng hua U niversit y,Shanghai201620,China)
Abstract:In view o f the idea that non smooth g roove sur face can reduce turbulent flo w drag,tri angle groo ves are ar rang ed on the surface o f hig h speed roto rs.With RNG k turbulence m odel,the 3D flo w field o f triang le g roov es has been simulated to calculate the total drag coefficient of both smo oth and non smooth r otors respectively.In co mpar ison w ith the w all shear stress o f the tw o ro to rs,the result show s that high speed rotors w ith minute non smo oth g roov e can make reduction on drag to a certain ex tent.In additio n,both depth and interval of gro oves affect to tal drag fo https://www.wendangku.net/doc/fa8760946.html, pared to smooth r otors,the max im um rate of drag reduction is up to1.284%.
Key words:roto r;non smoo th surface;drag r eductio n;num erical sim ulation
阻力的产生及减阻措施
阻力的产生及减阻措施 飞机的各个部件，如机翼、机身和尾翼等，单独放在气流中产生的阻力的总和并不等于把它们组合成一架飞机时所产生的阻力，而后者往往大于前者。所谓“干扰阻力”指的就是飞机的阻力和单独各个部件阻力代数和的差值，是由于各个部件组合在一起时，流动相互干扰产生的额外阻力增量。换句话讲，飞机的零升阻力等于机翼的零升阻力、机身的零升阻力、尾翼（含平尾和立尾）的零升阻力和飞机干扰阻力之和。飞机干扰阻力又包括机翼机身之间的干扰阻力、尾翼机身之间的干扰阻力以及机翼尾翼之间的干扰阻力等。 当把机翼和机身组合在一起时，机身的侧面和机翼翼面之间形成一个横截面积先收缩后扩张的通道，低速气流流过扩张通道时，因逆压梯度的作用将使附面层产生严惩的分离，出现额外增加的粘性压差阻力。为了消除这一不利的干扰，一般都采用整流片来仔细修改机翼机身连接部分的外形，“填平补齐”，消除分离。上图的飞机采用了大整流片的目的也在于此。 由于机翼下表面压力大，上表面压力小，因此下表面压力大的气流就会向上表面流动，从而在翼尖处形成了一个旋涡，这个旋涡是由于升力诱导而产生的，因此称为诱导阻力。 飞机的零升阻力是纯粹的付出，不像下面要介绍的飞机的诱导阻力那样，是产生有用升力所必须付出的代价；自然，无论是飞机的零升阻力或是诱导阻力，都应该千方百计地减少它们。要减少低、亚声速飞行时飞机的零升阻力，主要有下列办法。 第一，采用层流翼型替代古典翼型来减小机翼的摩擦阻力。 第二，对飞机的其他部件都应当整流，做成流线外形。 第三，是减小干扰阻力。必须妥善地考虑和安排各个部件的相对位置，在这些部件之间必要时不定期应加装整流片。 超音速飞机在飞行时会产生激波阻力，减小激波阻力的主要措施是采用合适的气动外形。
全球著名十大仿生设计建筑
英国伯明翰塞尔福瑞吉百货大楼：其外型轮廓犹如女性的身体，外表悬挂了1.5万个铝碟，创造出一种极具现代气息的纹理装饰效果，有如女人服饰上鳞片式的金属圆片，闪烁于阳光之下，使建筑的商 业氛围表现到极致。 美国科罗拉多州丹佛国际机场：是美国面积最大及全世界面积第二大的机场，丹佛国际机场已经有18年的运营历史，是美国最为繁忙的机场之一，有二十二家航空公司提供1200个航班。此机场的特别之处在於屋顶用特殊布料覆盖及采用张力结构的设计，令人联想到受冰雪覆盖的落矶山脉。
荷兰鹿特丹的“城市仙人掌”：是一个坐落在荷兰的住宅工程，它将在19层楼中提供98个居住单元。多亏了这种错落有致的曲线阳台的设计，每个单元的室外空间能够得到足够的阳光。 美国波特兰“连跳商业中心”：位于美国俄勒冈州波特兰市的“连跳商业中心”，由马来西亚建筑师肯·肖杨设计。该中心使用了太阳能发电，并且配备有污水及雨水回收系统，建筑材料使用了可回收的建筑材料。还设计了独特的园林景观，使得商业中心成为城市中心的绿色购物花园。
“树纹塔”摩天大楼：由美国著名的环境设计大师、建筑师威廉·麦克多诺设计。他设计的“树纹塔”使建筑可以像树木一样进行光合作用，在设计中，他充分利用太阳能和自然光，不仅实现视觉上震撼效果，同时使得整个建筑物被环境所包围，成为名副其实的绿色建筑。 巴黎“防烟雾”大厦：建筑所用的原料都是可回收可降解材料。建筑的功能非常完善，有公共场所、会议室、画廊、餐厅和花园，采用太阳能发电和光合作用净化空气，预计将修建在巴黎运河上，将成为教育巴黎市民保护环境普及可持续发展战略的重要基地。
美国辛辛那提的“罗布林大桥坡度”大厦：位于辛辛那提市最著名的罗布林大桥旁，是由纽约世界贸易中心重建总体规划建筑师丹尼尔·李博斯金设计的。最具特色的是顶层的倾斜坡度使用了仿生技术与周边的自然环境相适应，与著名的城市标志罗布林大桥相配合。
仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述
龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/fa8760946.html, 仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述 作者：王政李田李明张继业 来源：《河北科技大学学报》2017年第04期 摘要：介绍了自然界中几种较为典型的非光滑结构表面生物，阐明了合理表面微结构可以改变近壁区湍流结构的规律，针对表面微结构的类型、减阻研究实例、减阻机理和减阻应用等4个方面进行了评述，提出了沟槽扩展类型，并指出减阻机理研究应拓展至复杂形态结构。分析表明：微结构类型对减阻效果有较大影响，减阻优化及其机理研究是仿生表面微结构减阻工作的重点，仿生表面微结构减阻优化可进一步提高节能降耗的效率，在飞行器、高速列车、汽车等工程领域具有广泛的应用前景。 关键词：仿生学；表面微结构；减阻；湍流结构；气动阻力 中图分类号：Q692文献标志码：A 收稿日期：20161206；修回日期：20170323；责任编辑：王海云基金项目：国家自然科学基金（51605397）；牵引动力国家重点实验室自主研究课题资助项目（2016TPL_T02）第一作者简介：王政（1993—），男，河南南阳人，硕士研究生，主要从事列车空气动力学方面的研究。通信作者：李田博士。Email：litian2008@https://www.wendangku.net/doc/fa8760946.html,王政，李田，李明，等.仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述[J].河北科技大学学报，2017，38（4）：325334. WANG Zheng，LI Tian，LI Ming，et al.Review of mechanical research and aerodynamic drag reduction of bionic surface microstructures[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2017，38（4）：325334.Review of mechanical research and aerodynamic drag reduction of bionic surface microstructures WANG Zheng1， LI Tian1， LI Ming2， ZHANG Jiye1 （1.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu，Sichuan 610036， China； 2.CRCC Tangshan Company Limited， Tangshan， Hebei 064000，China） Abstract：Some typical living creatures with a nonsmooth surface in nature are introduced. The law of the fact that an appropriate microstructure surface can transform the turbulent structure of nearwall region is briefly stated. The research status of the type of microstructure surface， the drag reduction of microstructure surface， the mechanism of drag reduction of microstructure surface and its application so far are commented. The extended types of grooves are proposed， and it is suggested that the current research on drag reduction should be extended for structures with complex
减阻措施
旋风除尘器的几种减阻措施 前言： 旋风除尘器是一种利用含尘气体旋转所产生的离心力将粉尘从气流中分离出来的干式气分离装置。因其具有结构简单、造价低、内部没有活动件、维修方便以及耐高温、高压等特点, 广泛应用于化工、采矿、冶金、机械、轻工、环保等领域。衡量旋风除尘器工作性能的重要指标是压力损失和除尘效率。目前, 已研制出许多低阻旋风除尘器。 1、旋风除尘器的结构及工作原理 当含尘气流由进气管进入旋风除尘器时, 气流将由直线运动变为圆周运动。旋转气流的绝大部分沿器壁自圆筒体呈螺旋形向下, 朝锥体流动。通常称此为外旋气流。含尘气体在旋转过程中产生离心力, 将重度大于气体的尘粒甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触, 便失去 惯性力而靠入口速度的动量和向下的重力沿壁面下落, 进入排灰管。旋转下降的外旋气流在到达锥体时, 因圆锥形的收缩而向除尘器中心靠拢。根据旋转矩不变原理, 其切向速度不断提高。当气流到达锥体下端某一位置时, 即以同样的旋转方向从旋风除尘器中部, 由下反转而上, 继续作螺旋形流动, 即内旋气流。最后净化气经排气管排出旋风除尘器外。一部分未被捕集的尘粒也由此逃失。 3、影响旋风除尘器压力损失的因素 ( 1) 在旋风除尘器中, 由于内旋气流进入排气管时仍处于旋转状态, 因而具有较高的能量。弗斯特在一次实验中发现, 离开除尘器出口至少相当于连接管直径27倍的地方还存在着旋转。所以, 采取各种措施消旋减阻, 回收排气管中的能量是很有意义的。 ( 2) 通过旋风除尘器内部气流流动研究认为: 旋风除尘器气流速度分布在径向上, 呈不对称或出现偏心, 尤其在锥体下部靠近排尘口附近, 有明显的“偏心”; 排气管下口附近, 径向气流速度较大, 有“短路”现象。气流偏心或短路不利于粉尘分离。 ( 3) 旋风除尘器内气流运动非常复杂, 有旋流场及若干干扰涡流场, 这些涡流场在不同程度上影响除尘效率和阻力损失, 尤其是短路流构成上部气流回转, 使一部分流体在旋风筒中转一周后斜向吹到刚从入口进来的气体上, 导致入口进气偏向筒壁而产生所谓的压缩现象。压缩现象使壁面处流速增大, 壁面摩擦力增大, 同时使气流在旋风筒上部的回转圈数增多, 必然导致压力损失增大。因此, 可以通过抑制压缩现象来降低压力损失。 (4) 旋风除尘器旋涡流场的能量损失主要由外旋涡流能量损失和内旋涡流能量损失组成。其中外旋涡流对颗粒的捕集起决定性作用, 属于有效能量;而内旋涡流对捕集分离不起作用, 属于消耗性能量。内涡旋造成的能量损失, 除了内涡旋轴上气流速度梯度不同造成的内摩擦损失以及排气口连接管段内气流旋转造成的摩擦损失外, 主要是由于内涡旋造成的向外的径向速度与外涡旋造成的向内的径向速度相互干扰, 造成了内、外涡旋场的掺混、碰撞和摩擦损失。 4、旋风除尘器的减阻措施 4. 1 排气管减阻装置现有的排气管减阻装置可分为2 类: ( 1) 改变排气管形状回收能量。如采用锥形排气管, 但该方法效果不显著。 ( 2) 不改变排气管形状, 而在排气管内部或后部附加减阻装置回收能量。此类有以下几种方法: ①在排气管内装整流叶片, 其中以D-3 型效果最好,可使阻力减少22.8% , 而除尘效率仅降低0.5%～0.8% ; ②在排气管出口装设渐开线蜗壳, 此法可使阻力降低5%～10%, 且对除尘效率影响较小; ③在排气管出口加设圆锥形扩散器( 当净化气体直接排入大气时) , 若取合适的扩散角, 可获得10%～33%的压力回收; ④在排气管弯头后水 平安装双锥圆筒减阻器, 若双锥圆筒采用优化尺寸, 可使阻力减少7%～25%, 而除尘效率仅下降0.3%。
顶管施工质量的技术保证措施
穿墙止水 为避免地下水和泥土大量涌进工作井，在穿墙管内事先填埋经夯实的黄粘土，打开穿墙管闷扳，应立即将工具管顶进。此时穿墙管内的黄粘土受挤压，堵住穿墙管与工具管的环缝，起临时止水作用。当工具管尾部接近穿墙管而泥浆环尚未进洞时，停止顶进，绕盘根，表轧兰，再借助管道顶进的顶力，带动轧兰将盘根压入穿墙管环缝。盘根压得不宜过紧，以不漏浆为宜留下一定的压缩量，以便盘根磨损后再次压紧止水。 顶进阶段的测量和纠偏 （1）测量与放线：根据建设单位提供的控制点施测污水管线的中心线和高程桩。根据中线控制桩用全站仪将顶管中线桩分别测设在顶管工作坑的前后，使前后两桩互相通视，并与管线在同一条线上。顶管工作坑内的水准点由坑上一次引测，经过校核，误差不得大于±5mm。每座顶管坑内设2个水准点。 ⑵顶管测量与纠偏： 在顶第一节管时，以及在校正偏差过程中，测量间距不应超过30cm，以保证管道入土的位置正确；管道进入土层后的正常顶进，测量间隔不宜超过300cm。 中心测量：拟采用垂球拉线的方法进行测量，要求两垂球的间距尽可能的拉大，用水平尺测量头一节管前端的中心偏差，并且每顶进12m用全站仪检测一次。
高程测量：用水准仪及特制高程尺，根据工作坑内设置的水准点，测头一节管前端与后端的管内底高程，以掌握头一节管的走向，测量后应与工作坑内另一个水准点闭合。 每工作班要求做好顶管记录和交接班记录，全段顶完后，应在每个管节接口处测量其中心位置与高程，有错口时应测出其错口的高差。 顶管误差校正逐步进行。形成误差后不可立即将已顶好的管子校正到位，应缓慢进行，使管子逐渐复位，切忌猛纠硬调，以防产生相反的结果。纠偏过程中应加强测量密度，每10～20cm测量一次，根据实际情况采取有针对性的纠偏方式。 常用的纠偏方法有以下三种： ①超挖纠偏法：偏差为1～2cm时，可采取此法。即在管子偏向的反侧适当超挖，而在偏向侧不超挖甚至留坎，形成阻力，使管子在顶进中向阻力小的超挖侧偏向，逐步回到设计位置。 ②顶木纠偏：偏差大于2cm时，在超挖纠偏不起作用时采用。用圆木或方木的一端顶在管子偏向的另一侧内壁上，另一端斜撑在钢板或木板的管前土壤上，支顶牢固后，在顶进过程中配合超挖纠偏法，边顶边支。利用顶进时的斜支撑分力产生的阻力，使顶管向阻力小的一侧校正。 ③千斤顶纠偏法：方法基本同顶木纠偏法，只是在顶木上用小千斤顶强行将管慢慢移位纠正。
仿生功能材料
《功能材料概论》期末小论文 浅谈仿生功能材料 摘要：随着人民生活质量的进一步改善和提高 ,人们的生活对各种科学技术的要求也不断提高，而许多科技产品的发展都需要新型材料的支持，而新型功能材料正好能为科技提供发展基础。什么是功能材料？功能材料具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，有特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。功能材料市场将很快转化为充满勃勃生机的现实市场,从而创造出巨大的社会经济效益，成为国民经济的一个支柱产业。下面我想谈谈功能材料的一个分支-----仿生功能材料 一、什么是仿生功能材料？ 仿生功能材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。自然界中存在的天然生物材料有着人工材料无可比拟的优越性能。我们通过研究他们的特点特性，制造我们能使用的材料，例如研究萤火虫发明人工冷光、研究电鱼发明伏特电池；研究苍耳属植物发明尼龙搭扣、研究鲨鱼发明特质泳衣…… 二、仿生功能材料的基本原理 现实生活中我们接触过许多动物与植物，例如屹立几百年而不倒的大树；几乎不发热量的冷血昆虫，而地球上所有生物都是由一些简单且廉价的无机和有机材料通过组装而形成，他们仅仅利用极少的几种元素，主要是碳、氢、氧、氮等组合而成，便能发挥出多种多样的功能，这实在令人叹服！在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同，迄今为止，再高明的材料科学家也做不出具有高强度和高韧性的动物牙釉质；海洋中长出的色彩斑斓、坚固又不被海水腐蚀的贝壳。如果我们眼光投向生物体的材料构造与形成过程，在充分的理解生物现象之后，用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来设计与制作适合人类生活所需的材料。 三、仿生功能材料的运用举例及原理 1、自清洁玻璃
!鲨鱼盾鳞肋条结构的减阻仿生研究进展
鲨鱼盾鳞肋条结构的减阻仿生研究进展3 刘 博1,2,姜 鹏1,李旭朝3,桂泰江3,田 黎2,秦 松1 (1 中国科学院海洋研究所,青岛266071;2 青岛科技大学化工学院,青岛266042;3 海洋化工研究院,青岛266071) 3973前期研究专项(2005CCA00800) 刘博:男,1983年生,硕士研究生 E 2mail :liu21cnbo @https://www.wendangku.net/doc/fa8760946.html, 秦松:通讯作者,男,1968年生,研究员,博士 E 2mail :sqin @https://www.wendangku.net/doc/fa8760946.html, 摘要 鲨鱼体表覆有一层细小的盾鳞(Placoid scale ),盾鳞上的脊状突起称为肋条(Riblet ),肋条之间构成具圆 弧底的沟槽。这种沟槽形态的鲨鱼盾鳞肋条结构(Riblet surfaces )具有良好的减阻作用。从盾鳞的结构、形态和功能出发,详细介绍了鲨鱼盾鳞肋条结构减阻相关的流体动力学机理及其仿生材料模型的设计与测试方法,概括了目前肋条结构仿生材料的减阻应用情况,并展望了其未来的发展方向。 关键词 仿生材料 鲨鱼皮 盾鳞 肋条结构 沟槽 减阻 Drag 2R eduction Bionic R esearch on Riblet Surfaces of Shark Skin L IU Bo 1,2,J IAN G Peng 1,L I Xuzhao 3,GU I Taijiang 3,TIAN Li 2,Q IN Song 1 (1 Institute of Oceanology ,Chinese Academy of Sciences ,Qingdao 266071;2 College of Chemical Engineering ,Qingdao University of Science and Technology ,Qingdao 266042;3 Marine Research Institute of Chemical Industry ,Qingdao 266071) Abstract Fast 2swimming sharks have small placoid scales on their skin ,of which the riblet surfaces (grooved surfaces )can improve swimming performance of these relatively giant fishes.Shark skin 2imitated products have already met needs in several areas.Investigation into the drag 2reduction mechanism of riblet surfaces makes placoid scale a per 2fect object to biomaterial research.In this review placoid scale ′s structure ,shapes and the drag 2reduction f unction of its riblet surfaces are introduced.The development of related hydrokinetic mechanism ,model design ,model test and bionic applications are presented in detail.The f uture development in bionic application of riblet surfaces is also discussed. K ey w ords bionic material ,shark skin ,placoid scale ,riblet surface ,groove ,drag reduction 0 前言 1936年英国生物学家James Gray 计算发现,当海豚以平均20节泳速游动时,其理论作功能耗是实际摄食能量的7倍,这就是著名的格雷悖论(Gray ′s paradox )[1]。问题的提出引发了 对海洋大型快速游泳动物减阻仿生学的研究。其后,由于鲨鱼 盾鳞肋条结构(也称为沟槽结构)为刚性结构并具规律排列特性,便于模仿,逐渐成为减阻仿生学中的主要研究对象。 人类的技术系统在解决运输工具速度方面过于依靠能量的使用,海洋中的快速鲨鱼(Fast 2swimming shark )却在漫长的进化中获得了优异的减阻能力。深入研究表明,快速鲨鱼体表覆盖着一层独特的盾鳞,通过优化鲨鱼体表边界层的流体结构,能有效减小水阻,从而降低能量依赖度,获得极高的速度。Walsh 等的流体动力学试验表明:在高速流体流动状况下,盾鳞肋条结构表面的减阻效果高达8%[2,3]。 近年来,肋条结构的减阻仿生学研究获得了更多关注与发展,在航空[4]、泳衣及管道[5]等应用领域已逐步迈向应用。本文从鲨鱼盾鳞的组织结构、形态和功能出发,对鲨鱼盾鳞肋条结构减阻相关的流体动力学机理、仿生材料模型的设计和测试,以及减阻应用进行了系统的介绍,并对其未来的研究方向进行了展望。 1 盾鳞的组织结构、形态和功能 1.1 盾鳞的组织结构 盾鳞是包括鲨鱼在内的一些软骨鱼类所特有的鳞片,也是 现生鱼类中最原始的一种鱼鳞(图1(a ))。盾鳞与牙齿在进化上同源,具相似的组织结构[2,6],其最外层为珐琅质,中间层是象牙质,中央是髓腔(图1(b ))。盾鳞的这种刚性组织结构有利于对其进行结构仿生研究。 图1 盾鳞的一般形态与组织结构 Fig.1 G eneral shape and structure of the placoid scale 1.2 盾鳞形态与功能的多样性 鲨鱼盾鳞的径向长度通常在1mm 以内,其形态因鲨鱼种 ?41?材料导报 2008年7月第22卷第7期
圆柱绕流全向裹覆减阻减振措施
第11卷第4期中国水运V ol.11 N o.4 2011年4月Chi na W at er Trans port A pri l 2011 收稿日期：3作者简介：韩韶英（5），女，青岛市人，中国海洋大学工程学院，硕士生。 圆柱绕流全向裹覆减阻减振措施 韩韶英 （中国海洋大学工程学院，山东青岛266100） 摘 要：圆柱绕流全向裹覆减阻减振措施主要包括开孔管套、丝网、轴向棒条和轴向板条，由此演变出的相应装置 在工程实践中有所应用，但目前尚未完全了解其作用机理。本文总结评述各种全向裹覆减阻减振措施和研究成果，可为相关研究工作和工程实践提供参考。 关键词：全向裹覆；减阻；减振；开孔管套；丝网；轴向棒条；轴向板条中图分类号：TU 431文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2011）04-0146-05 一、引言 研究圆柱绕流的物理特性，寻求有效的涡激振动控制方法，减小结构所受的振动和阻力具有重要的意义。20世纪60年代，一些学者提出了“卷吸层”（E nt rain men t Layer ）和“汇流点”（Con flu en ce Poin t ）的概念[1，2]，用以解释涡脱落机理和相关的现象，提出了一些影响卷吸层的裹覆类减阻减振方法，本文就其中的全向性方法（开孔管套、丝网、轴向棒条、轴向板条）的研究成果进行回顾和评述，以便为今后的研究工作和工程实践提供参考。 二、减阻减振被动控制措施1．旋涡形成脱落机理Gerra rd [3] 阐述了旋涡形成脱落机理。他认为，上面的 旋涡在它所在一侧剪切层的涡量供应下，涡量强度不断增长，拖曳对面的剪切层穿过尾迹，这些被拖曳的剪切层携带着具有反方向涡量的流体，切断了上面旋涡的涡量供应，最终导致了旋涡的脱落。接下来，下面的旋涡成长充分之后，将会拖曳上面的剪切层携带着具有反方向涡量的流体穿过尾迹，从而造成下面旋涡脱落到下游。这个过程不断重复造成旋涡交替脱落，在圆柱下游形成了涡街。涡的形成和脱落有两个重要因素：（1）剪切层必须卷起，形成具有充分强度的旋涡；（2）剪切层之间的相互作用。因此，破坏这两个因素中的任意一个因素，都有可能达到抑制涡激振动的目的。另外，除剪切层提供的有旋流体之外，其中的卷吸层对于无旋流体的挟带输送效应对于旋涡的成长也是必需的[4]。而汇流点（图1标示圆柱体两侧的卷吸层相遇和相互作用的区域）从尾流轴线的一侧移动到另一侧与涡脱落有关[4] 。上述原理如图1所示。 2．减阻减振被动控制方法 为有效降低绕流阻力及振动所造成的破坏，避免涡激振动的产生，各国学者进行了大量研究[5，6]。人们提出很多减阻减振及涡激振动抑制方法，主要分为主动控制和被动控制两种，主动控制方法目前尚处于理论研究阶段[3]。被动控制直接改变结构表面形状或者附加额外的装置以改变绕流场，从而控制旋涡的形成和发展过程，抑制涡脱落。与主动控制相比，被动控制装置设计简单、易于制作、安装，维护成本 较低，因此得到了广泛应用。 a 、 b 表示流体的挟带输送， c 为分离剪切层卷起形成的逆流。 图1原理示意图 图2全向裹覆减租减振方法示意图 Zd ravk ovich [2]将被动控制方法分为三类：（1）表面突起，影响分离线或分离剪切层，如螺纹、线条、翼片、螺栓和半球面等；（2）裹覆，影响卷吸层，如穿孔、丝网、控制杆和轴向板条等；（3）近尾流稳定器，阻止卷吸层的相互作用，如飘带、整流罩、分隔板、导向翼、底排和狭缝等。前两类方法中大部分具有全向性，如螺纹、线条和裹覆等，它们对于各种来流方向都有效；第一类中的部分和所有第三类方法是单向性的，仅对单一来流方向有效，如翼片、部分裹覆和近尾流稳定器等。为了解决方向敏感性问题，人们将某些单向性装置安装在可自由转动的推力套环上，使其能够按 2011-0-12 198-
仿生机构的分类及其结构简介
现代仿生机构的分类及其结构简介 摘要 仿生机构是由刚性构件、柔韧构件、仿生构件以及动力元件等人为实物组合而成的机槭系统。仿生机构按照机构所能实现的运动功能可划分为仿鸟飞行机构、仿蛇爬行机构、多足步行机构、尾鳍推进机构等。本文针对以上四种类型的仿生机构进行了简要说明并分别举例介绍了其结构形式。 关键词仿生机构；类型；结构
目录 摘要 (1) 第1章仿生机构概述 (2) 1.1引言 (2) 1.2仿生机构的概念及组成 (2) 1.3仿生机构的基本类型 (3) 第2章四种仿生机构分类介绍 (4) 2.1仿生扑翼飞行机构结构简介 (4) 2.1.1 仿昆飞行机器人结构简介 (4) 2.1.2 扑翼三维运动的新型扑翼机构结构简介 (5) 2.2仿蛇蠕动爬行机构结构简介 (7) 2.2.1 多关节仿蛇机器人结构简介 (7) 2.2.2 一种蠕动爬行方案结构简介 (8) 2.3多足步行机构结构简介 (9) 2.3.1 一种新型四足机器人机构构型设计 (10) 2.3.2 具有手脚融合功能的多足步行机器人结构 (11) 2.4尾鳍推进机构结构简介 (11) 结论 (13) 参考文献 (14)
第1章仿生机构概述 1.1 引言 所谓“仿生学”，就是旨在研究生物系统，用来改进人类工程技术的一门属于生物科学与技术科学之间的边缘新兴学科。具体地说，它是研究和探索生物系统的结构特性、能量转换、信息控制过程，并把研究的结果用于改善现有的或创造全新的机械设备、俭测仪器、建筑构型石工艺过程及自动装置等工程技术。 1.2 仿生机构的概念及组成 仿生机构是由刚性构件、柔韧构件、仿生构件以及动力元件等人为实物组合而成的机槭系统。通过运动副或仿生关节的联接，系统的各部之间能保持足够确定的相对运动，在控制系统的指挥下，可于某种程度上模拟设计者所期望的某特定生物的运动功能。其中，刚性构件的概念与传统机构学中的构件概念相同。指的是机构中做刚体运动的单元体，柔韧构件和仿生构件却是传统机构学中的新概念，前者是指弯曲刚度很小(在研究问题中其刚度可以被忽略)且不会伸长或缩短或弹性很小)的带状构件；后者是指那些为模仿生物运动器官的力学特性而增设的，在机构中独立存在，不影响机构相对运动，只起改善传动质量的构件。如滑液囊、滑液鞘等；至于动力元件，实际上是关于构件驱动装置的新提法，本文中是指一类能在控制下直接对柔韧构件施加张力的动力源的总称，其功能相当于动物的肌肉[1]。 由研究节肢动物和脊椎动物的肢体受到启发，可以认为仿生机构也是由骨骼、韧带和肌腱等组成的，只不过在这里已具有更加广义的概念，包容刚性构件、柔韧构件和动力元件了。为研究问题方便，我们不仿把仿生机构划分为刚性和柔性两大组成部分。其中刚性组成部分同传统机构学中的空间机构(开链机构和闭链机构)并无差别。它是整个机构的基础，决定着机构的自由度数及每个刚性构件的活动范围；其中柔性组成部分则是传统机构学中所没有的，它决定着刚性部分中起始构件的驱动方式及机构的运动确定性。
鲨鱼装与机器鱼──仿生减阻与仿生推进
鲨鱼装与机器鱼──浅谈仿生减阻与仿生推进 92/0５/1２作者: 陈政宏成功大学造船及船舶机械工程学系 德瑞普(Dｒａｐｅr)公司研发的机器鱼。 仿生流体工程学? 传统的生物学主流不论是研究生物的组织、结构、形态、类别及生态，或是二十世纪中叶以后的分子生物学,怎样也轮不到生物力学，特别是其中看似没有明显用途的流体力学，除了人工心脏与血管相关的问题外，大概没人会注意这方面的研究。但是这些年来,一些生物物理学家与流体力学工程师们,已经默默地将生物物理学与流体工程结合在一起,为人类科技的进展提供一条新的路线。在内流场方面，人工心脏及人体血液循环系统的研究成为追求长寿者的希望所在；在外流场方面，各式交通工具必备的推进系统也有诸多模仿生物的发展，以寻求更有效率、节省能源的推进方式。 在实验室里,工程师们有时会将「鱼类尾鳍重新吸收流场中的动能以增加推进效率」这一类生物运动的原理应用到工程机械上，我们称这种模仿生物的工程应用为「仿生工程学」。仿生工程在机械、化工等各方面都有发展,在此我们以流体力学方面的例子说明科学家与工程师是如何发展仿生工程的。??对流体力学家或工程师而言，诸如船与飞机等交通工具的阻力与推进是密不可分的问题,运动性能与操控也是如此，这两者都是他们最关切的问题。因此,当人类想要在流体中有更好的交通工具或机械时,不免会见贤思齐来模仿生物一番，看看动物有何妙招可以减少阻力、提高推进效率、或增加运动操控性能。? 虽然「仿生」一词是近年来的产物，其实这种想法早就存于我们远祖的脑中。游泳正是最好的例子:蝶式的下半身摆动是学鱼类的摆尾；近年来仰式很流行的出发及转身时的潜泳也是学鱼类的摆尾，如果练习得当，此方式既有效率又快速，所以已经被国际泳协明文规范限制以此方式游行的距离。否则,一来大家要比谁憋气较久,二来仰式可能要变「潜式」了。过去就有选手曾经在国际大赛中，出发后以此摆尾潜泳方式游了近4０公尺才冒出水面换气的例子。一般而言，提升或改良某种事情不外乎开源与节流两种方法,最好能双管齐下，提高推进效率也是如此，以下我们分减阻与推进两方面来看。??仿生减阻 流场控制是减低阻力的方法之一，借着改变物体表面附近的流场来达到减低摩擦阻力的目的。生物学家观察许多鱼类及鲸豚类的皮肤后发现这些皮肤并不单纯,经过仔细的研究,想出了各种模仿鱼类或鲸豚类皮肤的方法。??表面构造减阻法：在适当的位置上挖一些微小的壕沟,这些壕沟会改变贴近物体表面的流场紊性边界层中原有的结构与速度分布,因而减少摩擦阻力。在鲨鱼表皮上发现这些微壕沟有特殊的V形结构，且以特别的方式排列,这些壕沟的形状与尺寸大小是否有不同的影响，是近年研究的重点。游泳选手的新泳装从头包到脚,称为鲨鱼装,可以减少阻力，就是这原理的应用。另外，这两年才在莲叶上发现的奈米级微小突起结构，改变了水滴的附着能力，它就是导致莲「出淤泥而不染」的原因;这种微小突起结构，也是未来应用奈米科技于交通工具减阻上热门的研究课题之一。
仿生结构及其功能材料研究发展
仿生结构及其功能材料研究进展 摘要本文结合作者课题组的相关工作, 就多种仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势. 关键词仿生合成结构材料功能材料智能材料浸润性离子通道 1.光子晶体材料 光子晶体，这是一类特殊的晶体，其原理很像半导体，有一个光子能隙，在此能隙里电磁波无法传播。蛋白石是其中的典型，它的组成仅仅是宏观透明的二氧化硅，其立方密堆积结构的周期性使其具有了光子能带结构，随着能隙位置的变化，反射光也随之变化，最终显示出绚丽的色彩.模仿蛋白石的微观结构，可以合成人工蛋白石结构的光子晶体. 矿物或生物结构色中光子晶体的分子结构、微/纳米结构、周期性结构及其功能的深入研究将为开发新一代光学材料、存储材料及显示材料提供重要的指导作用. 2.仿生空心结构材料 自然界中的许多生物采用了多通道的超细管状结构, 例如: 许多植物的茎都是中空的多通道微米管, 这使其在保证足够强度的前提下可以有效节约原料及输运水分和养料; 为减轻重量以及保温, 鸟类的羽毛也具有多通道管状结构; 许多极地动物的皮毛具有多通道或多空腔的微/纳米管状结构, 使其具有卓越的隔热性能. 3.仿生离子通道材料 生物膜对无机离子的跨膜运输有被动运输(顺离子浓度梯度)和主动运输(逆离子浓度梯度)两种方式. 被动运输的通路称为离子通道, 主动运输的离子载体称为离子泵. 离子通道实际上是控制离子进出细胞的蛋白质, 广泛存在于各种细胞膜上, 具有选择透过性. 生物纳米通道在生命的分子细胞过程中起着至关重要的作用, 如生物能量转换, 神经细胞膜电位的调控, 细胞间的通信和信号传导等[26]. 纳米通道在几何尺寸上与生物分子相近, 利用纳米通道作为生物传感器或传感器载体, 在分子水平上对组成和调控生命体系结构和运行的离子、生物分子和小分子进行检测和分离, 甚至在人工合成的纳米通道体系内模拟某些生物体系的结构和功能, 已成为化学、生命科学、材料学及物理学等领域的研究热点. 4.仿生超强韧纤维材料 天然蜘蛛丝由于具有轻质、高强度、高韧性等优异的力学性能和生物相容性等特性, 因此在国防、军事、建筑、医学等领域具有广阔的应用前景. 随着蜘蛛丝微观结构与性能关系的进一步揭示, 利用不同的合成技术, 国内外许多课题组已成功制备了多种仿蜘蛛丝超强韧纤维材料. 纳米碳管作为一维纳米材料, 重量轻, 具有良好的力学、电学和化学性能, 这为仿生合成具有类似蜘蛛丝性能的功能材料提供了可能并已经得到了验证. 研究发现, 自然界某些生物体中(如昆虫角质层、下颌骨、螫针、钳螯、产卵器等)含有极为少量的金属元素(如Zn、Mn、Ca、Cu等), 以增强这些部位的刚度、硬度等力学性能. 受此启发, 采用改进的原子层沉积处理技术,提高天然蜘蛛牵引丝的抗断裂或变形能力, 增强蜘蛛丝的韧性. 该研究对制造超强韧纤维材料及高科技医疗材料, 包括人工骨骼、人工肌腱、外科手术线等具有重要的指导意义. 5.仿生特殊浸润性表面 自然材料的多尺度微/纳米多级结构赋予其表面特殊浸润性能, 如植物叶表面的自清洁性、滚动各向异性; 昆虫翅膀的自清洁性、水黾腿的超疏水性等. 通过对生物体表面的结构仿生可以实现结构与性能的统一.
生物材料学问答题
第1章绪论 1、什么是生物材料 答：目前认为：生物材料为一种与生物系统相互接触，用以诊治组织/器官疾患，替换病损组织/器官，或者改善其形态或增进其功能的材料，包括生物源性材料和生物医用材料。 种类：蛋白质、核酸、高分子多糖及其复合物。 2、生物材料的类别 答：生物材料的类别如下： （1）按材料属性：医用金属材料、医用无机材料、医用高分子材料、医用复合材料…（2）按材料功能：硬组织材料、软组织材料、血液相容性材料、生物降解材料… （3）按材料来源：组织衍生材料、天然生物材料、人工合成材料 （4）按材料用途：骨科材料、心血管材料、血液透析材料、整形美容材料… 3、生物材料应用现状 答：生物材料应用现状如下： （1）软组织植入材料：医用缝合线（蚕丝、尼龙、羊肠(胶原)、聚酯…）、止血海绵、人工乳房植入体（石蜡、硅酮油、聚丙烯酰胺、聚乙烯海绵体、硅胶袋（内装硅凝胶或生理盐水）…）、经皮植入体、皮肤植入体、颚面植入体、眼耳植入体、血管植入材料、人工心脏瓣膜…（2）硬组织修复与替代材料：接骨板、人工关节、金属丝、螺钉、髓内钉、脊柱固定器件、牙根植入体、齿科材料等… （3）人工器官：人工肾(血液透析仪)、人工心脏、人工肺… （4）组织工程产品：皮肤、骨、软骨、膀胱、神经（壳聚糖、聚乙醇酸） 第2章生物大分子 1、生物大分子概念和种类 答：生物大分子概念：是生物体的重要组成成分，是一类具有生物功能、分子量较大、结构也比较复杂的天然高分子，同时也是一类非常重要的生物材料来源。 种类：蛋白质、核酸、高分子多糖及其复合物 2、胶原蛋白的特点及稳定构象，丝素蛋白的特点及稳定的构象 答：（1）胶原蛋白： 特点：耐湿热，生物相容性良好，生物可降解，经过处理可消除抗原性，能促进组织恢复，无异物反应 稳定构象：三股螺旋和球形 （2）丝素蛋白 特点：来源广泛、生物相容性良好，力学性能优良，血液相容性相对较好，可以缓慢降解，溶解性（浓的中性盐溶液） 稳定构象：反平行折叠链构象 第3章&第12章生物矿化和仿生材料 1、生物矿化的定义及主要分类是什么 答：生物矿化定义：生物矿化是指在一定条件下，在生物体的不同部位，以各种作用方式，在有机基质和细胞的参与下，无机元素从环境中选择性的在特定的有机基质上形核、生长和相变而转变为结构高度有序的生物矿物的过程。 主要分类：无定形矿物；无机晶体；有机晶体；最多的是含钙矿物，其次依次为非晶质氧化硅，铁锰氧化物、硫酸盐，硫化物、钙镁有机酸盐
顶管注浆减阻技术
顶管注浆减阻技术 近年来，顶管技术朝着大管径、长距离的施工方向发展。特别是在繁华大都市的市政建设项目中，长距离地下顶管技术以其独有的优势被广泛地应用。 然而由于我市土质多为亚粘土、沙性土，顶进中摩阻系数大而使顶进长度受到限制。所以开发新的减阻技术，是实现大管径、长距离顶进的关键。 1 长距离顶进的方法、减阻材料及工艺效果 目前实现顶管的长距离施工的技术保证措施，除了设置中继间外，更重要的是通过注浆工艺来减小管材与土壤的摩擦阻力。采用注浆工艺润滑、减阻后可以使顶距提高40％一70％。 减阻用的主要材料是膨润土和水。当膨润土与水混合后，由于水掺人膨润土中，膨润土在水中膨胀重量可以达到膨润土原重量的600％—700％。经搅拌储存呈凝状，在有外力作用下呈流动状态，这种材料注夹在管外壳与土壤之间，会大大降低管节推进的摩阻力。静止时泥浆有良好的稳定性。为使膨润浆液有良好的性能，在制浆过程中要适量加一些辅助原料：如纯碱、纤维素CMC、缓凝剂等。 膨润土又分为钙基膨润土和钠基膨润土，吸收钙离子多的为钙基，吸收钠离子多的为钠基膨润土，根据不同的土质选用不同的配方。通过施工我们总结发现：在沙性土中钠基膨润土减阻效果较明显，资料分析显示它比钙基膨润土多含一层极薄的硅酸盐，它与膨润土中的蒙脱石小
粒子结合中易形成空隙构造，从而使浆液膨润性增加。触变以后流动性好，静止下来有胶凝性与固化性。 高效钠基膨润土浆液配方是：膨润土24kg，水76kg，碱0.8kg。 在不同的土质和施工条件下，对减阻泥浆性能有不同的要求。在沙性土质中，土层易塌方，流沙与地下水压向整个管壁，普通浆液达不到减阻效果，如在淤流沙层内，土层无水板结，遇水成流沙，膨润土会被流沙层内的水稀释，减阻效果就差。在这种情况下，①、要提高浆液粘度；②、应掺入CMC经甲基纤维素，以提高浆液抗剪切能力及润溶性。配方中的纯碱可提高浆液稠度，增加钠离子改变土粒子水化性能，但若加倍过量投入会破坏浆液的性能。 将搅拌好的浆液放入储浆罐中，须经3—4h存储待膨润土颗粒充分吸水膨胀(吸水率2h，430％)方可使用。此时浆液性能几项指标约为：粘度80s，静切力21mg／cm2，pH值0.8—10，比重约为1.17。粘稠度适中，用木锨棒插入液中能立住。 应注意的是：各地生产的膨润土成分特性相差较大，使用前要取样做试验。 在被顶进的混凝土管材上预留3—4个注浆孔，用口径为1英寸(0.0 254m)的橡胶管与各注浆孔连接，接到主注浆管上，再用软管连接到注浆泵上，泵的一端连接到储浆罐上。 近些年由于顶管采用注浆减阻工艺使顶管工程的口径及顶距都有大幅度提高，最大管径和最大顶距分别达到2400mm和290m。 2 注浆工艺中的顶力、摩擦力确定
[方案]仿生智能材料
[方案]仿生智能材料 第一章绪论 1、基本概念 仿生学概念:人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了约35亿年。 人类很早就认识到生物具有许多超出人类自身的功能和特性。对生物的结构、形态、功能和行为等进行研究，我们就会从自然中获得解决问题的智慧和灵感。 生物材料:通常有两个定义，一是有生命过程形成的材料，如结构蛋白(蚕丝等)和生物矿物(骨、牙、贝壳等)，另一个是指生物医用材料(Biomedical materials), 其定义随医用材料的发展不断发展，指用于取代、修复活组织的天然或人造材料。 仿生材料(Bio-inspired):受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材 料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分、结构仿生、模仿 生物体中形成材料的过程和加工制备仿生、模仿生物体系统功能的功能仿生。 智能材料:具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、 判断，并采取一定的措施进行适度响应的类似生物智能特征的材料。 2、智能材料的特征 具体地说，智能材料具备下列智能特性: (1)具有感知功能，可探测并识别外 界(或内部)的刺激强度，如应力、应变、热、光、电、磁、化学、辐射等; 2)具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应; (3)具有对环境变化作出响应及执行的功能; (4)反应灵敏、恰当;
(5)外部刺激条件消除后能迅速回复智能材料必须具备感知、驱动和控制三个基本要素。 3、智能材料的构成 智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。它不是传统的单一均质材料，而是一种复杂的智能材料系统。 基体材料首选高分子材料，因为质量轻，耐腐蚀;其次也可选金属材料，以轻质有色合金为主。 敏感材料担负传感的任务，其主要作用是感知环境的变化(温度、湿度、压力、pH值等)。 常用的敏感材料有形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色、液晶材料等。在一定条件下，驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负响应和控制的任务。常用的驱动材料有形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料等 可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用 4、智能材料的应用 (1)用于航空、航天飞行器:例:采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测;空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断。 (2)用于建筑、工程结构:例:可以利用形状记忆合金材料对应变敏感、电阻率大及加热后可以产生大回复力的特点，将记忆材料埋植在各种结构中，再配上微处理器，使之集传感驱动于一体，便构成自动探测裂纹或损伤和主动控制裂纹扩展的完整控制系统。
工程仿生在农业机械减阻技术的应用与展望
工程仿生在农业机械减阻技术的应用与展望 发表时间：2018-01-25T13:25:09.277Z 来源：《防护工程》2017年第26期作者：朱媛媛 [导读] 我国作为传统的农业大国，历史悠久。随着社会主义市场经济的突飞猛进，科学技术水平的日益提高。 黑龙江农垦科技职业学院 摘要:我国作为传统的农业大国，历史悠久。随着社会主义市场经济的突飞猛进，科学技术水平的日益提高，许多新型农业技术已经逐步完善并运用到市级农业种植过程中。以农业仿生科技为例，已经逐步运用到包括农业领域在内的多种领域中，在农业机械化作业的过程中，在增加工作效率提升作业质量的同时，进一步满足是下的社会主义市场经济与人民群众日益增长的物质需求。但值得注意的是，我国虽为农业大国，但仍处于社会主义初级阶段，由于资金、技术、历史经验等多方面因素的制约，严重阻碍了机械化作业在农业生产领域的推广与进步。而将仿生学用于农业领域的机械化作业，则可有效缓解上述因素对机械化农业的不利影响，在提高生生产效率的同时，使我国农业逐步向现代化、机械化的生产模式过度。 关键词:仿生技术；机械化；阻碍；农业 随着我国商品经济的发展，带动了我国各行业领域的飞速进步，广大人民群众的生产生活质量大幅提高，从而带动了我国人口数量的剧增，致使我国对于粮食需求量逐年增加。在这样的时代背景与社会需要的前提下，将机械化作业应用到日常农业生产中势在必行。而农业机械化再其推广过程中却受到了诸多因素的阻碍，与科学技术的限制。基于这种情况，完善合理的推广仿生工程并将其运用到农业机械生产中，能够有效减少农业机械生产中的阻滞，在增加农业生产效率的同时，最大限度的满足可持续发展的社会需求。 一、仿生学的含义与意义 仿生学是将工程学与生物学二者之间有机结合而衍生出的新型技术，仿生学是人类根据自然世界中动物的生理功能进行模仿、再创造的产物。其具体的核心内容是将对自然界生物的自身功能原理应用于实际生产生活中，并将其移植到工程技术领域。一直以来，我国作为世界上最大的发展中国家，幅员辽阔，资源丰富。但随着社会经济发展与人口数量的增加，大量不可再生资源日渐消耗，生产生活对于能源的需求日益加剧。同时，由于煤炭、石油在工业、农业生产中的频繁使用，排放出大量的有害性气体，在造成大气污染的同时，加剧了气候变暖的问题。在我国的能源消耗占比重中，农业器械作业耗能占据了主体，根据我国2015年国家能源机构统计，我国农业机械领域的柴油消耗数量占全国柴油消耗量的百分之十左右。如下图所示： 并且，我国由于经济发展原因，机械化农业发展程度与其他发国家地区仍有一定的差距，农业机械化生产发展时期较短。而随着我国农业机械化生产的逐步推广，大量的农用机械设备的使用，以柴油为主的不可再生资源消耗甚巨。基于这种现状，在农业机械化作业的过程中，采取行之有效的措施减少能源消耗，减轻环境污染势在必行。 二、在农业机械减阻技术上应用工程仿生的原因 在日常的农业生产过程中最为重要的两个部分是农作物耕种与农业病虫害的治理。常规的农业机械化作业机械设备在正常运行过程中，其机械部件会于耕地土壤相接触，由于土壤自身的粘性，致使耕地土壤逐渐附着在机械设备上，极易导致机械设备解除土壤的部件生锈腐蚀，同时还会增加机械运转的阻力，降低机械生产的工作效率。同时，由于土壤的松软性、不平整性会致使机械设备运行过程中消耗更多的能源。基于这样的现状，生物学技术在农业中的应用更显得尤为重要。可以根据自然生物的特有生理构造运用于机械设备制造中，在减少机械设备与土壤摩擦力的同时，降低农业机械使用过程中的能源消耗，最大限度的提高农业生产效率。 除此以外，仿生技术也可以应用到农作物病虫害防治的环节。传统农业的防治病虫害的主要手段是以人工喷洒农药为主，但喷洒农药杀灭病虫害的同时，也造成了地下土壤的污染与生态环境的破坏，农药残留部分会随着土壤中的水分流入地下，造成地下水质的污染。这时如果可以仿生自然界中蝗虫的机械化滑移捕集功能则能很好地克服上面这种情况的发生。该仿生技术是通过模仿蝗虫的生物功能制造出具有良好滑移功能的捕集滑板，以此来实现对蝗虫或其他类别昆虫的捕集。这样的操作不仅能实现有效地虫害防治，还不会对环境造成污染。所以不管从哪方面出发考虑，仿生技术的应用对农业机械化生产都具有十分重要的意义。 三、仿生技术的发展概况 由于仿生学研究的出发点就是以模仿生物结构、功能方面的基本原理来制作新的或者改进旧的机构、仪器、建筑等，所以相对来说是处于在生物学与技术科学间发展起来的边缘类学科。仿生学研究、学习各类生物的多样化能力，研究作用机制，并把这作为开展技术设计的路径。仿生学的出现使生物学、生理学、神经学及计算机、通讯等多种工程技术科学得以紧密联系起来，所以仿生技术就是根据生物结构性质、能量转换、信息传递过程而对现有机械、仪器、工艺过程进行改进或创造新的机械、仪器和工艺过程的技术。 四、工程仿生在农业机械减阻技术方面的应用和展望 自仿生学诞生以来，仿生技术就得到了迅速发展和广泛应用，尤其是近些年，很多国家都在加大在生物、物理、化学、工程技术等领域的仿生学研究，并投入大量人力、物力，获得了惊人的进展。仿生学的很多研究成果经实践证明也确实对解决农作物耕种过程中存在的土壤阻力和农作物病虫害防治有很明显的效果。在自然界中，动物（包括昆虫）在数亿万年的竞争进化后，逐渐形成了自身独具特色却又高度适应环境的生理特性（如几何体形结构、表面非光滑织结构等），并在运动平稳性、灵活性和对能量的高效利用方面表现出远优于现代农业发展的特性。例如，在土壤中生存的动物体，体表普遍都会表现出几何非光滑特征，即以一定几何形状的结构单元随机或规律地分布于体表的某些部位（结构单元有鳞片形、凸包形、凹坑形、波纹形等），当这些非光滑体表在与土壤进行接触时会相互作用产生微振效应或水膜不连续效应或界面空气膜效应等，这些效应会使粘附面产生一定频率振幅的微动，从而实现减少与土壤的接触面积和时间，从而能减小土壤与动物非光滑体表的粘附力和摩擦力。所以通过仿生技术的研究把这一反应应用到农业机械上，能很好