壁虎外翻脱附的力学模型和数值仿真

发布时间：2020-08-25 03:16

【摘要】：爬壁机器人在民用、航天、军事领域具有广泛的需求,爬壁机器人设计的一个关键问题在于黏附系统的设计。近年来仿生干黏附和湿黏附日益受到关注。其中仿具有杰出攀爬能力的壁虎,依靠范德华力机制的黏附,因为具有广泛的材料、粗糙度适应性而具有广泛的应用前景。壁虎通过脚趾外展脱离黏附基底,实现了快速及低冲击的脱附。但是外展脱附的力学机制尚不够明确,对其脱附机制的研究有助于仿壁虎生黏附表面以及爬壁机器人的脱附过程设计。本文开展了如下创新性工作。(1)测试了脚趾外翻过程的黏附接触力学规律。通过电刺激控制壁虎黏/脱附行为的对应神经干,在实验室条件下实现脚趾外翻过程,并分别利用三维力学采集系统和高速显微摄像系统采集和记录脱附过程中的力学数据和行为学。壁虎脚趾脱附过程分为两个阶段,第一阶段为初始脱附阶段,只有法向力增加,切向力保持不变。第二阶段为稳定脱附阶段,法向力近似保持不变,切向力开始增大。法向力峰值与预拉力的差值约为21m N。(2)在ABAQUS中建立壁虎脚趾的连续脱附模型、非连续脱附模型、分段非连续脱附模型,利用有限元法对外翻和30°撕脱过程中的行为学以及力学进行分析。外翻时脱附时间比30°撕脱时更短,且对基底的法向冲量更小,意味着对基底的冲击更小。(3)分别建立了黏性剂连续分布的弹性胶带和非连续分布的纤维仿壁虎表面在弯矩作用下的外翻模型。将弹性胶带简化为同时受弯矩和黏性剂拉力作用的柔性梁结构,采用脱附常数作为失效准则,利用大变形柔性梁理论推导了脱附的临界弯矩载荷。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242

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本文编号：2803192