高效切割刀具耦合仿生设计理论与技术方法项目摘要

现代新型材料和高性能材料的加工对切割刀具性能提出了更高的要求。本项目以獾牙齿的生物学特性研究为切入点，探索高效切割刀具耦合仿生设计理论和技术方法。对獾牙齿结构、排列和咬合方式、材料特性，包括齿形轮廓、运动学特征、材料成分、构成方式、机械性能、摩擦学特性等进行研究，分析其在切割食物过程中低阻力、低功耗和低磨损特性以及结构和材料耦合作用机理；在分析现有切割刀具失效行为的基础上，以獾牙齿不同功能结构为原型，设计应用于龙门剪切机刀片、切割带锯、圆盘锯三种具有不同运动特征的切割刀具仿生结构，采用模拟仿真方法对仿生结构进行优化设计；制备仿生切割刀具样品，采用机械合金化和等离子喷涂技术在样品上制备AlMgB14陶瓷涂层，对样品切割性能进行测试和分析；采用正交试验设计、回归预测等方法，研究仿生结构参数和涂层组织结构对切割刀具性能的耦合作用规律和影响机理，并形成系统的高效切割刀具耦合仿生设计理论与技术方法。

本项目针对切割部件和挖掘机斗齿在工作过程中所面临的效率和寿命问题，开展仿生切割部件的设计理论和方法研究。通过对狗獾牙齿的微观结构、力学性能及组成成分进行分析，研究了狗獾牙齿釉质层和本质层硬度的差异。通过咬合力传感器测量狗獾咬合时的咬合曲线，研究了狗獾在咬合物体时的咬合力大小和特点。基于计算机断层扫描和三维扫描技术，构建了狗獾头部和爪趾模型，并进行优化。基于计算机视觉技术和描点法，提取了狗獾犬齿和爪趾的特征曲线，并进行了拟合。通过三维计算机软件，对所研究部件进行仿生设计，进行静力学分析，并对所设计部件进行了再优化。对所设计部件进行了加工，利用试验优化方法进行试验台切割与挖掘试验，得到了所设计仿生部件与市售对比部件的切割和挖掘参数。利用仿真模拟对锯切削过程中的温度场和切屑的Mises 应力进行了分析，并对仿生锯齿对切屑的影响进行了探讨。对被切材料的断面形貌进行了分析，最终得到了适用于不同切削速度条件下的齿形参数。形成了系统的高效切割刀具耦合仿生设计理论与技术方法。利用等离子表面强化技术，将Ni60A-wt.%AlMgB14复合粉末喷涂于M42高速钢表面，通过磨损试验，探索了其磨损性能与机理。耐磨涂层能够有效降低试样的磨损率和摩擦因数。 2100433B

大自然永远是人类最好的老师。那历经千万年甚至几亿年形成的自然构造是经历了无数风雨的考验才最终成形的，它的内在规律、功能组织、线条韵律、结构形态都给现代设计极高的启迪。同时，仿生设计也是人类为了与自然生态环境相协调，保持生态平衡所做的努力和探求的方法。 仿生学是模仿生物建造技术装置的科学。生物在千万年的进化过程中，为了适应环境而不断完善自身的组织结构与性能，以获得高效低耗、自我更新、新陈代谢、结构完整的保障系统，从而得以顽强的生存与繁衍，维持生物链的平衡与延续。建筑仿生学从自然界中汲取灵感再创造，以达到与自然生态环境相平衡、共发展的目标。 建筑仿生学的表现与应用方法，归纳起来大致有四个方面：城市环境仿生、使用功能仿生、建筑形式仿生、组织结构仿生。当然，在实际运用中，这四种仿生应用方法也会以综合的形式出现，形成城市与建筑的仿生整体。 在建筑仿生设计中，功能仿生与形式仿生是最常见的。它从自然生命和物质中汲取灵感，使建筑布局更具新意，外型或内部构造呈现出非凡的亲和力。法国建筑师勒·柯布西耶从蟹壳中获取无穷灵感，设计了闻名于世的朗香教堂，他将屋顶的各边向上弯曲，并在一个边角上，两边鼓起来的屋檐夹着向内收弧的白墙形成一个抢眼的尖角伸向天空。同时，勒氏说他要把朗香教堂做成一个“视觉领域的听觉器件”，它应该像人的听觉器官一样柔软、微妙、精确和不容改变（《勒.柯布西耶全集1946—1952》）。朗香教堂的平面呈现出模拟人的耳朵的形态，它也象征着上帝可以倾听基督教徒的祈祷。 芬兰著名建筑师阿尔托设计的德国不来梅市的高层公寓的平面就是仿自蝴蝶的原型，他把建筑的服务部分与卧室部分比作蝶身与翅膀，不仅使内部空间布局新颖，而且也使建筑的造型变得更为丰富。 形式上的仿生设计就更多了。如西班牙建筑师高迪在巴塞罗纳设计了许多明显具有动物骨骼形式的公寓建筑，隐喻着这座海滨城市战胜蛟龙的古老传说。1904—1906年建的巴特洛公寓和1910年建的米拉公寓均是形式仿生的代表之作。 雅克·赫尔佐格、德梅隆与李兴刚合作完成的2008北京奥运会主场馆——鸟巢的设计，既像一个孕育生命的巢，又似一个摇篮，寄托着人类对未来的希望。 现代设计师扎哈·哈迪德设计的广州大剧院，从海珠石的传说和中国园林中汲取灵感，其外形如“圆润双砾”，就像两块置于平缓山丘上的灵石。 在建筑仿生领域，运用得比较多的还有组织结构仿生。比如著名的纽约环球航空公司航站楼不仅在外形上采用仿生设计，而且埃罗·萨里宁和威廉·加德纳还在结构上建造四瓣组合式薄壳，中间有缝隙采光，四瓣薄壳则由下部的丫形柱支撑，这与人的头盖骨的拼合极为相似。航站楼应用这种结构肌理不仅解决了自由曲线造型的难题，而且还在结构与形式上达到有机地融合。可见，仿生设计并不需要为了建筑的造型而牺牲结构的合理性，相反，有机的结构与新颖的形式可以共生。 另外，根据生命体的内在运行规律进行的设计，也是仿生设计当中一个重要的运用领域。比如美国建筑设计师威廉·麦克多诺设计的树纹塔摩天大楼，充分将太阳能和自然光引入大厦之中，既解决了采光、节能的问题，还使大厦中的植物有足够的阳光进行光合作用，令建筑被植物围绕，成为名副其实的绿色建筑。 此外，根据不同的仿生原理和用料，仿生设计还可以分为拱型结构类、薄壳结构类、充气结构类、螺旋结构类、新陈代谢类等等。不管何种方式，自然界都以其独特的构造与形式为我们展示解决问题的方法。 建筑仿生是21世纪建筑学领域的一项新运动。建筑仿生学理论结合了生物学、美学和自然界的规律。《师法自然 建筑仿生设计》一书从建筑的角度出发，展示现代仿生设计的精美成果。从来自世界各地著名设计师的精彩案例中，既可以看到建筑外形如何与环境和谐相融，内部构造与空间功能如何完美匹配，室内家具如何符合人体工程学，又能感受到内部装饰设计如何与建筑概念交相呼应的整体化设计。这里的仿生设计不仅具有功能性，符合项目周边地理、气侯、光照等自然环境特征，同时也是非常具有美学特质的，观之使人赏心悦目，用之感受舒适畅达，并能触发更多灵感与想象。 仿生设计可以是多方面的，也可以是综合性的，人们可以从自然界中吸收一切有用的元素作为创作灵感，但同时也应尊重与遵循自然规律，这样才能真是做到人宅相生，建筑与自然和谐共存。2100433B