發(fā)布時間：2020-08-07 11:19

【摘要】：液壓傳動為流體傳動的一種,是行走機械與高能容比的工業(yè)機械中的核心傳動形式,影響力遍及各工業(yè)領域,特別是國家“安全領域”。未來20年液壓傳動發(fā)展目標為“綠色、緊湊、高效、智能、長壽”十個字,這也是當前液壓傳動面臨的主要問題。自然界中蜘蛛體內存在液壓系統(tǒng),它們用很低的內部壓力實現(xiàn)了高效的驅動,并體現(xiàn)了無污染、結構緊湊、高效率與功率質量比、運動協(xié)調控制、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。蜘蛛利用液壓傳動實現(xiàn)了非凡的生物功能,自然長期進化已經促成高效的液壓傳動元件及集成的系統(tǒng),通過對其高性能液壓系統(tǒng)的運行機制與驅動機理及能量傳遞過程進行研究,能夠啟發(fā)我們發(fā)現(xiàn)新的驅動模式和發(fā)明新能量傳遞轉化裝置等,從而為液壓系統(tǒng)的發(fā)展提供了一種新的借鑒。在國家自然科學基金(51675219)資助下,本文以大型捕食蜘蛛為研究對象,從蜘蛛步足的內部特征研究出發(fā),結合內部流動的CFD計算結果和血淋巴與外骨骼之間的流-固耦合特性分析,完成了驅動機理及能量傳遞過程的探究。所做主要研究工作和相關結論如下:1.蜘蛛體型與步足內部流體傳輸通道的建立使用三維激光掃描儀對樣本表面進行掃描,通過平滑,修飾等后處理,完成蜘蛛體型的三維重建。針對蜘蛛步足內部傳輸通道與外骨骼、肌肉、血管及神經單元耦合在一起,結構很復雜,嘗試了多種實驗方法:組織切片實驗發(fā)現(xiàn)Tibia段幾乎充滿了肌肉;不同部位的肌肉的微觀形態(tài)有著較大的差別;電鏡掃描實驗證實了組織切片的結果;Micro-CT實驗顯示跗節(jié)/Metatarsus末端封閉。最終,利用UG三維軟件結合Micro-CT掃描圖片的手動構建方法,完成了蜘蛛步足遠端液壓關節(jié)的三維模型重建,為后續(xù)的仿真計算提供了求解模型。2.蜘蛛步足內部流動CFD數(shù)值模擬針對只有進口沒有出口的步足內流場CFD數(shù)值模擬,計算過程中設置了兩種類型的邊界條件:一個是壓力進口邊界條件,另一個作為對照,為速度進口邊界條件。通過兩種邊界條件下的質量流量與理論值的比較,確定速度進口邊界條件下的計算結果更合理。3.蜘蛛步足生物力學特性測試針對影響步足外殼力學性質的因素眾多,選擇干燥后的蜘蛛步足外殼的外層進行納米壓痕測量。試驗參數(shù)設置為:樣品的泊松比0.25;壓入應變率0.1 s^-1;壓入深度2000nm;保壓時間為20s;熱漂移率為0.1nm/s。通過對樣本不同部位5個測試點的數(shù)據(jù)處理,得到Metatarsus段步足外殼外層的平均彈性模量E=4.154GPa,Tibia段步足外殼外層的平均彈性模量E=5.187GPa,從而獲得了流-固耦合計算所需的材料力學性能參數(shù)。4.蜘蛛步足血淋巴與外殼之間的單向流-固耦合計算利用ANSYS Workbench仿真平臺進行了蜘蛛步足內部流體與步足外殼之間的單向流-固耦合計算。蜘蛛步足液壓關節(jié)在Tibia段和Metatarsus段兩者的連接部位為一彈性可折疊薄膜,為了準確模擬流-固耦合的作用效果,將所建立的步足外殼的模型分成三段。兩側硬質外殼簡化為均質各向同性材料,密度選擇近似節(jié)肢動物的外表皮甲殼素的密度;中間的彈性薄膜近似選擇彈性血管壁的力學參數(shù)。5.蜘蛛步足液壓傳動機理研究與分析本文對蜘蛛步足的CFD數(shù)值模擬和流-固耦合計算進行了詳細的分析。結合步足內流場特性及流-固耦合特性結果對傳動機理進行如下闡述:內流場云圖顯示metatarsus末端流體流動的速度接近于零,壓力為負壓,與進口之間形成的壓差作用,促使流體持續(xù)順利往末端進行流動。而由于末端封閉,流體的不斷增加將開始引起膨脹,結構材料的力學性能差異,使得中間薄膜連接部位膨脹明顯,這正如流-固耦合的變形結果所表現(xiàn)的效果,膨脹繼續(xù)增加引發(fā)關節(jié)轉動進而實現(xiàn)步足的運動。根據(jù)CFD計算數(shù)據(jù)處理得到的流動通道中血淋巴的流動軌跡,按照相近或者流體力學中的相似準則,本文設計了一套仿生液壓系統(tǒng),相比較已有的,本文提出的液壓回路,不僅與已有的文獻報道相吻合,并進一步發(fā)展,更接近于工程意義上的液壓系統(tǒng),從而為液壓系統(tǒng)的設計與性能提高提供了新的思路。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH137
【圖文】：

圖 1.1 Boston Dynamics 機器人自然界有許多生物在億萬年之前就已經在利用液壓驅動方式作為動力源，如蜘蛛[2]、金龜子[3]、水母[4]、雙殼動物[5]、海星[6]等。圖 1.2 為蜘蛛依靠液壓驅動步足關節(jié)運動的示意圖，如圖所示，在血淋巴壓力作用下步足擴展，收縮是靠肌肉完成。中國液氣密工業(yè)協(xié)會組織專家參與撰寫“中國機械工程發(fā)展路線圖”，

圖 1.2 蜘蛛的液壓驅動結構科學家用與人類能力的形象對比，總結了蜘蛛優(yōu)異的運動能力。如圖 1.3 所示，它能夠跳躍超過 50 倍體長的距離相當于人類跳躍一個足球場長度的距離；它的速度能夠達到每秒 70 倍體長[8]，10 倍于百米飛人博爾特；它能夠搬運超過體重 170 倍的重物，相當于人類舉起一個雙層大客車。

圖 1.2 蜘蛛的液壓驅動結構科學家用與人類能力的形象對比，總結了蜘蛛優(yōu)異的運動能力。如圖 1.3 所示，它能夠跳躍超過 50 倍體長的距離相當于人類跳躍一個足球場長度的距離；它的速度能夠達到每秒 70 倍體長[8]，10 倍于百米飛人博爾特；它能夠搬運超過體重 170 倍的重物，相當于人類舉起一個雙層大客車。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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相關博士學位論文 前1條

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相關碩士學位論文 前3條

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本文編號：2783919