仿生硅藻典型壳壁结构的水润滑轴承摩擦学性能研究

为攻克我国水中航行器推进系统中水润滑轴承迫切需要解决的承载力不足、减振、降噪、安全、可靠和高效等关键难题，把硅藻壳壁典型二级孔结构引入到水润滑轴承的摩擦学研究中，从而实现水润滑轴承内表面的仿生设计。通过建立包含仿生硅藻壳壁典型二级孔结构的摩擦学模型，借助数值和实验等手段，研究了孔洞形状、几何尺寸、分布规律等特性对水润滑轴承的承载力、摩擦磨损、应力、热变形、噪音、气蚀等影响。数值和实验结果表明，相对光滑轴承而言，仿生硅藻壳壁典型二级孔结构比传统的单层表面织构更能提高轴承润滑剂的承载力，降低其摩擦系数，同时也能降低轴承的噪音。而且上述影响与孔状结构的尺寸、位置和分布规律密切相关。上述研究为水润滑轴承性能改进和寿命提升提供了新的手段。 上述研究成果 发表论文共17篇，其中SCI论文13篇、EI论文1篇; 授权软件著作权1项；申请了相关发明专利6项，授权5项, 其中有一项发明专利为科研仪器设备。本项目培养了研究生13人，毕业7人。参加了相关的国内外会议6次，1名博士生赴美进行学术交流1次；组织了硅藻学术研讨会3次。 2100433B

硅藻是自然界中一类分布极其广泛的浮游生物。经研究发现，硅藻壳壁特殊的多级孔洞结构，具有极高的弹性、韧性和优良的摩擦学等性能，这使硅藻具有良好的环境适应能力。为攻克我国水中航行器推进系统中水润滑轴承迫切需要解决的承载力不足、减振、降噪、安全、可靠和高效等关键难题，在集成机械传动国家重点实验室在水润滑轴承研究和应用方面多年技术积累的基础上，利用关于硅藻结构最新的研究成果，把硅藻壳壁典型二级孔结构引入到水润滑轴承的摩擦学研究中，从而实现水润滑轴承内表面的仿生设计。通过建立包含仿生硅藻壳壁典型二级孔结构的摩擦学模型，借助数值和实验等手段，研究孔洞形状、几何尺寸、分布规律等特性对水润滑轴承的承载力、摩擦磨损、应力、热变形、噪音、气蚀等影响，并揭示出一般影响规律，从而确定最佳的仿生孔洞结构，为提高我国水中航行器使用的水润滑轴承的摩擦学性能，降低其噪音，避免其常见失效现象的发生提供新的研究手段。

在清华大学教授吕富殉先生的文章“走向21世纪——建筑仿生学的过去和未来”中，介绍了建筑仿生学的研究内容（见图）。

总的来说，建筑仿生学的研究内容大致可归纳为以下几个方面：

（1）建筑的功能与空间（形象）的组织。

（2）生物界的某些结构构造体系以及它们形成的特殊方法和规律。

（3）建筑与自然环境的相互关系问题以及生态保护问题的解决。

（4）生物界某些带有规律性的美学潜力的发掘以及建筑美学问题。

仿生建筑的创作以功能和形象的统一为基础，并将建筑和生物界形象构成的和谐为追求目标，具体来说，就是从建筑的使用功能出发，找到一种合适的形象，能更充分地满足建筑的使用功能及其特定的社会需要。丰富多彩的生物界向我们提供了取得功能和形象间的和谐关系的规律，给我们提供了无穷无尽的仿生构思的源泉，同时我们也可以看到，任何规律和原则都有可能通过不同的具体形式表现出来，这为我们正确地利用生物界和建筑的共同规律提供了保障。

德国著名仿生学家Werner Nachtigall在其著作《Pattern of Nature》中提出了“适合功能之造型的仿生学设计原则”，其中包括：整体化而不是附加构造，整体的最优化而不是零件的最大化，多功能而不是单一功能，对环境的微调，节能，直接和间接的太阳能利用，整体的循环代替不必要的垃圾堆积，网络化关联而不是线状联系等。

仿生学的设计原则给予建筑仿生设计一些有益的启示：

建筑仿生学整体优化原则

美国建筑师富勒从结晶体和蜂窝的棱形结构得到启发，提出：“世界上存在着能以最小结构提供最大强度的系统，整体表现大于部分之和”。他依据“少费多用”的原则，设计了最有效率的活动住宅（Dymaxion House）和装配形球架（Geodesic Dome） （图4-3）。福斯特和格雷姆肖得益于富勒的直接教诲，在资源优化的建筑设计上成了高技派建筑师的典范。

德国建筑师奥托在20世纪60年代组织了“Biologic and Architecture”研究小组，探索材料的高效应用及与环境亲和的建筑。奥托也崇尚“Less is More”，奥托关注资源的整体优化。奥托认为他的建筑创作不是从形式出发，而是从高效的生物适应性得到启发。材料科学的发展使得奥托的钢索张膜高效结构在全世界得到广泛应用（图4-4）。

建筑仿生学适应性原则

适应性是生物经过长期的进化得到的为适应周围环境而形成的积极共生策略。动物教会我们如何应付高温或低温，植物又展示给我们如何应对太阳光辐射的生存模式，两者都提供了抵抗恶劣天气的崭新的处理方法。

把这种方法应用在建筑上是很有利的。例如人们研制了“特朗布壁”外墙系统（TrombeWalls），它利用热虹吸管/温差环流原理，使用自然的热空气或水来进行热量循环，从而降低供暖系统的负荷。在寒冷季节，墙体可以利用自身收集太阳辐射的能力加热空腔内的空气或水，新鲜空气则从墙体底部进入其空腔中，被热空气或水加热后进入室内，使热空气在室内循环流动。

建筑仿生学多功能原则

从某种意义上讲，人有三层皮。第一层是人的自然皮肤，热的时候它可以出汗，冷的时候会起鸡皮疙瘩，能以不同的方式对所处环境作出微调：第二层是人的衣服，随着四季的交替人们可以增减衣服，以适应季节变化；第三层则是建筑物的表皮。过去，建筑表皮是僵化不变的，不随季节的变迁而变化。但在仿生学研究中，建筑不再仅仅是“保温箱”，除了被动地保温，以防止热量散失，它还应主动地利用太阳能；在冬季，白天要充分吸收阳光，夜晚则要防止热量散失；在夏季，则要满足防热要求。仿生学的多功能原则为满足这些多重需要提供了思路。

生物气候缓冲层（ BBL=Bioclimate Buffering Layer）就是典型的多功能策略。它是指通过建筑群体之间的组合关系、建筑单体的组织和建筑各种细部的设计，在建筑与周围生态环境之间建立一个缓冲区域，在一定程度上防止各种极端气候条件变化对室内的影响，同时强化使用者需要的各种微气候调节手段。生物气候缓冲层具体可以大到街道、广场等空间，也可以是建筑的外维护结构，还可以小到建筑的细部构造。

双层皮玻璃幕墙是生物气候缓冲层设计原则的具体体现。这种光、薄、透的新型表皮构造，在冬季的白天可以保证室内获得足够的日照，以高效实现太阳能的被动式利用，晚上除了中空玻璃可以有效地阻止长波辐射以外，关闭的特制金属百叶相当于增加了一道保温层，有效地阻止了室内热量的散失；而在夏季，空腔内因热压而上升的空气能将金属百叶吸收的热量带至窗外，通过调节双层幕墙之间的特制遮阳构件还可以起到遮阳和热反射作用，从而实现建筑的被动式降温（图4-6）。 2100433B

《水润滑轴承的摩擦磨损性能及润滑机理的研究》（Study on friction and wear property and lubricant mechanism of water lubricated bearing）是重庆大学2002年授予陈战学位的论文，指导为秦大同、王家序。

学科专业

机械设计与理论

学位级别

d 2002n

关键词

轴承 水润滑轴承 摩擦 磨损 润滑

馆藏号

TH133

唯一标识符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.002548893

馆藏目录

2004\TH133\11 2100433B