【摘要】：液壓傳動為流體傳動的一種,是行走機(jī)械與高能容比的工業(yè)機(jī)械中的核心傳動形式,影響力遍及各工業(yè)領(lǐng)域,特別是國家“安全領(lǐng)域”。未來20年液壓傳動發(fā)展目標(biāo)為“綠色、緊湊、高效、智能、長壽”十個字,這也是當(dāng)前液壓傳動面臨的主要問題。自然界中蜘蛛體內(nèi)存在液壓系統(tǒng),它們用很低的內(nèi)部壓力實現(xiàn)了高效的驅(qū)動,并體現(xiàn)了無污染、結(jié)構(gòu)緊湊、高效率與功率質(zhì)量比、運(yùn)動協(xié)調(diào)控制、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。蜘蛛利用液壓傳動實現(xiàn)了非凡的生物功能,自然長期進(jìn)化已經(jīng)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(yùn)行機(jī)制與驅(qū)動機(jī)理及能量傳遞過程進(jìn)行研究,能夠啟發(fā)我們發(fā)現(xiàn)新的驅(qū)動模式和發(fā)明新能量傳遞轉(zhuǎn)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(xué)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(nèi)部特征研究出發(fā),結(jié)合內(nèi)部流動的CFD計算結(jié)果和血淋巴與外骨骼之間的流-固耦合特性分析,完成了驅(qū)動機(jī)理及能量傳遞過程的探究。所做主要研究工作和相關(guān)結(jié)論如下:1.蜘蛛體型與步足內(nèi)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(jìn)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(nèi)部傳輸通道與外骨骼、肌肉、血管及神經(jīng)單元耦合在一起,結(jié)構(gòu)很復(fù)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(jié)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(jié)合Micro-CT掃描圖片的手動構(gòu)建方法,完成了蜘蛛步足遠(yuǎn)端液壓關(guān)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(nèi)部流動CFD數(shù)值模擬針對只有進(jìn)口沒有出口的步足內(nèi)流場CFD數(shù)值模擬,計算過程中設(shè)置了兩種類型的邊界條件:一個是壓力進(jìn)口邊界條件,另一個作為對照,為速度進(jìn)口邊界條件。通過兩種邊界條件下的質(zhì)量流量與理論值的比較,確定速度進(jìn)口邊界條件下的計算結(jié)果更合理。3.蜘蛛步足生物力學(xué)特性測試針對影響步足外殼力學(xué)性質(zhì)的因素眾多,選擇干燥后的蜘蛛步足外殼的外層進(jìn)行納米壓痕測量。試驗參數(shù)設(shè)置為:樣品的泊松比0.25;壓入應(yīng)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(diǎn)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(xué)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(jìn)行了蜘蛛步足內(nèi)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(guān)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(zhǔn)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(cè)硬質(zhì)外殼簡化為均質(zhì)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(xué)參數(shù)。5.蜘蛛步足液壓傳動機(jī)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(jìn)行了詳細(xì)的分析。結(jié)合步足內(nèi)流場特性及流-固耦合特性結(jié)果對傳動機(jī)理進(jìn)行如下闡述:內(nèi)流場云圖顯示metatarsus末端流體流動的速度接近于零,壓力為負(fù)壓,與進(jìn)口之間形成的壓差作用,促使流體持續(xù)順利往末端進(jìn)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(jié)構(gòu)材料的力學(xué)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(jié)果所表現(xiàn)的效果,膨脹繼續(xù)增加引發(fā)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動進(jìn)而實現(xiàn)步足的運(yùn)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(xué)中的相似準(zhǔn)則,本文設(shè)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(xiàn)報道相吻合,并進(jìn)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(shè)計與性能提高提供了新的思路。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH137
【圖文】：

圖 1.1 Boston Dynamics 機(jī)器人自然界有許多生物在億萬年之前就已經(jīng)在利用液壓驅(qū)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(qū)動步足關(guān)節(jié)運(yùn)動的示意圖，如圖所示，在血淋巴壓力作用下步足擴(kuò)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(jī)械工程發(fā)展路線圖”，

圖 1.2 蜘蛛的液壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)科學(xué)家用與人類能力的形象對比，總結(jié)了蜘蛛優(yōu)異的運(yùn)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(dāng)于人類跳躍一個足球場長度的距離；它的速度能夠達(dá)到每秒 70 倍體長[8]，10 倍于百米飛人博爾特；它能夠搬運(yùn)超過體重 170 倍的重物，相當(dāng)于人類舉起一個雙層大客車。

圖 1.2 蜘蛛的液壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)科學(xué)家用與人類能力的形象對比，總結(jié)了蜘蛛優(yōu)異的運(yùn)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(dāng)于人類跳躍一個足球場長度的距離；它的速度能夠達(dá)到每秒 70 倍體長[8]，10 倍于百米飛人博爾特；它能夠搬運(yùn)超過體重 170 倍的重物，相當(dāng)于人類舉起一個雙層大客車。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2783919