蜘蛛步足流—固耦合计算与液压传动机理研究

发布时间：2020-08-07 11:19

【摘要】：液压传动为流体传动的一种,是行走机械与高能容比的工业机械中的核心传动形式,影响力遍及各工业领域,特别是国家“安全领域”。未来20年液压传动发展目标为“绿色、紧凑、高效、智能、长寿”十个字,这也是当前液压传动面临的主要问题。自然界中蜘蛛体内存在液压系统,它们用很低的内部压力实现了高效的驱动,并体现了无污染、结构紧凑、高效率与功率质量比、运动协调控制、稳定可靠等优点。蜘蛛利用液压传动实现了非凡的生物功能,自然长期进化已经促成高效的液压传动元件及集成的系统,通过对其高性能液压系统的运行机制与驱动机理及能量传递过程进行研究,能够启发我们发现新的驱动模式和发明新能量传递转化装置等,从而为液压系统的发展提供了一种新的借鉴。在国家自然科学基金(51675219)资助下,本文以大型捕食蜘蛛为研究对象,从蜘蛛步足的内部特征研究出发,结合内部流动的CFD计算结果和血淋巴与外骨骼之间的流-固耦合特性分析,完成了驱动机理及能量传递过程的探究。所做主要研究工作和相关结论如下:1.蜘蛛体型与步足内部流体传输通道的建立使用三维激光扫描仪对样本表面进行扫描,通过平滑,修饰等后处理,完成蜘蛛体型的三维重建。针对蜘蛛步足内部传输通道与外骨骼、肌肉、血管及神经单元耦合在一起,结构很复杂,尝试了多种实验方法:组织切片实验发现Tibia段几乎充满了肌肉;不同部位的肌肉的微观形态有着较大的差别;电镜扫描实验证实了组织切片的结果;Micro-CT实验显示跗节/Metatarsus末端封闭。最终,利用UG三维软件结合Micro-CT扫描图片的手动构建方法,完成了蜘蛛步足远端液压关节的三维模型重建,为后续的仿真计算提供了求解模型。2.蜘蛛步足内部流动CFD数值模拟针对只有进口没有出口的步足内流场CFD数值模拟,计算过程中设置了两种类型的边界条件:一个是压力进口边界条件,另一个作为对照,为速度进口边界条件。通过两种边界条件下的质量流量与理论值的比较,确定速度进口边界条件下的计算结果更合理。3.蜘蛛步足生物力学特性测试针对影响步足外壳力学性质的因素众多,选择干燥后的蜘蛛步足外壳的外层进行纳米压痕测量。试验参数设置为:样品的泊松比0.25;压入应变率0.1 s^-1;压入深度2000nm;保压时间为20s;热漂移率为0.1nm/s。通过对样本不同部位5个测试点的数据处理,得到Metatarsus段步足外壳外层的平均弹性模量E=4.154GPa,Tibia段步足外壳外层的平均弹性模量E=5.187GPa,从而获得了流-固耦合计算所需的材料力学性能参数。4.蜘蛛步足血淋巴与外壳之间的单向流-固耦合计算利用ANSYS Workbench仿真平台进行了蜘蛛步足内部流体与步足外壳之间的单向流-固耦合计算。蜘蛛步足液压关节在Tibia段和Metatarsus段两者的连接部位为一弹性可折叠薄膜,为了准确模拟流-固耦合的作用效果,将所建立的步足外壳的模型分成三段。两侧硬质外壳简化为均质各向同性材料,密度选择近似节肢动物的外表皮甲壳素的密度;中间的弹性薄膜近似选择弹性血管壁的力学参数。5.蜘蛛步足液压传动机理研究与分析本文对蜘蛛步足的CFD数值模拟和流-固耦合计算进行了详细的分析。结合步足内流场特性及流-固耦合特性结果对传动机理进行如下阐述:内流场云图显示metatarsus末端流体流动的速度接近于零,压力为负压,与进口之间形成的压差作用,促使流体持续顺利往末端进行流动。而由于末端封闭,流体的不断增加将开始引起膨胀,结构材料的力学性能差异,使得中间薄膜连接部位膨胀明显,这正如流-固耦合的变形结果所表现的效果,膨胀继续增加引发关节转动进而实现步足的运动。根据CFD计算数据处理得到的流动通道中血淋巴的流动轨迹,按照相近或者流体力学中的相似准则,本文设计了一套仿生液压系统,相比较已有的,本文提出的液压回路,不仅与已有的文献报道相吻合,并进一步发展,更接近于工程意义上的液压系统,从而为液压系统的设计与性能提高提供了新的思路。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH137
【图文】：

示意图,液压驱动,自然界,动力源

图 1.1 Boston Dynamics 机器人自然界有许多生物在亿万年之前就已经在利用液压驱动方式作为动力源，如蜘蛛[2]、金龟子[3]、水母[4]、双壳动物[5]、海星[6]等。图 1.2 为蜘蛛依靠液压驱动步足关节运动的示意图，如图所示，在血淋巴压力作用下步足扩展，收缩是靠肌肉完成。中国液气密工业协会组织专家参与撰写“中国机械工程发展路线图”，

液压驱动,倍体,人类

图 1.2 蜘蛛的液压驱动结构科学家用与人类能力的形象对比，总结了蜘蛛优异的运动能力。如图 1.3 所示，它能够跳跃超过 50 倍体长的距离相当于人类跳跃一个足球场长度的距离；它的速度能够达到每秒 70 倍体长[8]，10 倍于百米飞人博尔特；它能够搬运超过体重 170 倍的重物，相当于人类举起一个双层大客车。

运动能力,蜘蛛,倍体,人类

【参考文献】