賁東偉 郭穎杰

摘 要：在自然界中，許多生物都具有非光滑體表，經(jīng)過大量的研究發(fā)現(xiàn)，這些非光滑表面結(jié)構(gòu)在減粘、降阻、耐磨方面均起到了一定的作用，現(xiàn)階段在非光滑表面仿生主要集中在仿生幾何結(jié)構(gòu)形狀、排列方式、尺寸大小等方面的研究，并應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，本文主要對非光滑表面仿生研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡要的概述。

關(guān)鍵詞：非光滑表面；研究現(xiàn)狀；簡要概述

中圖分類號：S-1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431027

1 引言

仿生學(xué)（Bionics）是研究模仿自然界中各種生物的結(jié)構(gòu)、形態(tài)及功能，應(yīng)用到實(shí)際生活中來解決現(xiàn)實(shí)問題的一門科學(xué)，是生物與技術(shù)連接的橋梁，其研究內(nèi)容包括生物學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)等在內(nèi)的新興綜合性的邊緣學(xué)科。起初在1960年，由美國少校斯帝爾（J.E.Steel）首先提出并正式定名為仿生學(xué)，至現(xiàn)如今只有50多年的發(fā)展歷史，但隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，仿生學(xué)的研究內(nèi)容得到了較大提高和豐富，在機(jī)械仿生、電子仿生、能量仿生等都有所成果。

自然界中生存著千萬種生物，不同種類或同樣種類的不同個(gè)體之間的體表不可能完全相同。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對仿生非滑表面的大量研究，主要將非光滑幾何結(jié)構(gòu)分為凸包形、凹坑形、波紋形、鱗片形等幾類，并通過大量的試驗(yàn)設(shè)計(jì)得出非光滑表面在一定程度上具有減粘、降阻、耐磨等特性。隨之其應(yīng)用也越來越廣泛，同時(shí)也取得了一定的成效，因此，非光滑表面的研究對科學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展起著一定的作用。

2 非光滑仿生研究現(xiàn)狀

2.1 國外的研究現(xiàn)狀

國外對非光滑仿生的研究起步較早，1960年，Kramer[1]對Gray[2]的海豚生理上所能達(dá)到的游速與實(shí)際值存在極大差異的這一發(fā)現(xiàn)提出了海豚皮膚具有自適應(yīng)性，可減少粘附阻力的假設(shè)，科學(xué)家們經(jīng)由20多年的研究，證實(shí)了此假設(shè)的正確性，海豚在游動時(shí)，隨著其體表水流阻力增大，皮膚便由光滑形態(tài)變?yōu)榫哂幸欢◣缀涡螤畹姆枪饣螒B(tài)，而達(dá)到減阻目的[3]。1978年，Walsh[4-7]及合作伙伴在NASA蘭利中心對溝槽平板減阻進(jìn)行了研究，并將分布有2.54×10-2mm微小凸?fàn)钗锏姆枪饣砻嬲迟N在飛機(jī)機(jī)體上，結(jié)果機(jī)身阻力下降了6%-8%。1988年，Meis [8]研究了海洋動物鯊魚體表邊界層內(nèi)的流體，發(fā)現(xiàn)在鯊魚體表在邊界層內(nèi)呈“肋條”結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)有明顯的減阻效果，現(xiàn)已被良好地應(yīng)用于泵的設(shè)計(jì)中[9]。1997年，Barthlott和Neihuis[10，11] 2位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)荷葉的自清潔功能，并提出了“荷葉效應(yīng)”這一概念，荷葉的這種特性是非光滑表面上的微小乳突與表面蠟狀物共同作用產(chǎn)生的，根據(jù)此特性，已設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了具有清潔功能的瓷磚[12]。

2.2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對非光滑仿生的研究起步要晚些，目前國內(nèi)主要有吉林大學(xué)、浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)[13，14]等高等學(xué)府對非光滑表面的耐磨、減阻及脫附等方面進(jìn)行研究，已將研究成果應(yīng)用到航空航天、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工業(yè)加工制造等領(lǐng)域，并取得了良好的效果。

2.2.1 非光滑在耐摩性方面的研究

方杰[15]對破碎機(jī)內(nèi)襯的材質(zhì)和表面形態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化，其中在表面形態(tài)設(shè)計(jì)方面采用波紋型非光滑表面，在相同條件下通過ANSYS有限元軟件分析計(jì)算出光滑與非光滑波紋型襯板表面所受到的等效應(yīng)力，結(jié)果表明在相對傳統(tǒng)光滑襯板表面，波紋型表面的耐磨性要更好；宋冬雪[16]仿深海中的貝殼體表的紋理，運(yùn)用了激光熔凝技術(shù)對鑄鐵材料進(jìn)行非光滑處理，對激光處理后的鑄鐵材料采用了不同的冷卻方式，并對其組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與研究，通過實(shí)驗(yàn)得出經(jīng)過仿生非光滑處理后的鑄鐵材料的摩擦系數(shù)和耐磨性均有所提高。武麗君[17]在灰鑄體材料表面做了非光滑處理，在一程度上改善了灰鑄鐵材料的摩擦磨損性能以及抗熱疲勞性能。研究中仿蜣螂翅鞘的波紋狀結(jié)構(gòu)，采用激光技術(shù)對灰鑄鐵材料試樣（長×寬×高=40mm×20mm×6mm）表面非光滑處理，并進(jìn)行了熱疲勞試驗(yàn)和磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)條件與制動鼓實(shí)際工作環(huán)境最大可能趨于一致，此研究應(yīng)用到制動鼓上，對改善其摩擦磨損性能以及抗熱疲勞性能具有一定實(shí)際意義。李龑[18] 研究了仿生非光滑表面在往復(fù)運(yùn)動下的耐磨性。為了實(shí)現(xiàn)非光滑表面試樣的往復(fù)運(yùn)動和摩擦磨損測試，研制了高速高載往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，并在此試驗(yàn)機(jī)上對加工藝簡單、造價(jià)低廉的垂直走向溝槽型的非光表面試樣進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中獲取了大量的數(shù)據(jù)，在周期性摩擦磨損試驗(yàn)中，影響試樣耐磨性的主次因素：負(fù)載→電機(jī)轉(zhuǎn)速→槽深→槽寬→槽間距。

2.2.2 非光滑在減阻方面的研究

諶可[19]采用逆向工程技術(shù)對汽車表面進(jìn)行非光滑設(shè)計(jì)。并用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，通過對汽車外流場的研究，分析半球形凹坑、正三角形溝槽和半球形溝槽三種非光滑車表在相對光滑車表在降低空氣阻力方面的效果以及其減阻機(jī)理。結(jié)果表明，非光滑車表的減阻效果很明顯，在降低汽車燃油消耗方面具有重要意義；馮猛[20] 根據(jù)鯊魚體表的盾鱗肋條結(jié)構(gòu)在起壟鏟原型表面構(gòu)建凸（凹）等腰三角形（半圓形）溝槽的仿生起壟鏟和仿生荷葉微觀凸包結(jié)構(gòu)在溝槽結(jié)構(gòu)表面以及起壟原型鏟壁表面構(gòu)建半球凸包結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出9種仿生起壟鏟，利用Catia軟件三維建模和ANSYS有限元軟件模擬分析，結(jié)果得出9種仿生起壟鏟中，仿生凸三角形溝槽和仿生凸圓弧形溝槽相對其他降阻效果更明顯。黎潤恒[21]運(yùn)用Smagorinsky-Lily亞格子模型的大渦模擬方法對仿生非光滑表面圓管的湍流減阻性能進(jìn)行了研究分析。由鯊魚鱗片的啟發(fā)，設(shè)計(jì)出三種新型溝槽面的圓管，對其進(jìn)行大渦模擬并采用LES對湍流阻力特性研究，與傳統(tǒng)光滑圓管和三角形溝槽圓管進(jìn)行對比分析減阻效果，結(jié)果表明新型仿生非光滑表面圓管的減阻性能優(yōu)于傳統(tǒng)對稱三角形溝槽圓管。常原[22]利用仿生學(xué)方法，仿蜣螂頭部表面，將仿生凸包幾何結(jié)構(gòu)運(yùn)用在鎮(zhèn)壓輥表面的設(shè)計(jì)上（4個(gè)因素：高徑比、橫向間距、角間距、配重）。同時(shí)利用高分子量聚乙稀材料制作凸包結(jié)構(gòu)，從幾何結(jié)構(gòu)和材料2方面相結(jié)合來改變傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥，利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行仿真分析，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行土槽與田間實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相比，仿生凸包幾何結(jié)構(gòu)鎮(zhèn)壓輥能減少鎮(zhèn)壓過程中的阻力，也能減輕對土壤的壓實(shí)程度。金俊[23]對水田犁壁進(jìn)行了仿生非光滑設(shè)計(jì)，從幾何單元結(jié)構(gòu)的尺寸、排列方式以及填充程度3方面研究其對減粘效果的影響，通過對光滑與非光滑水田犁壁的經(jīng)濟(jì)效益對比試驗(yàn)，仿生非光滑壁耗油可節(jié)省11.9%，生產(chǎn)率可提高20.5%，并在脫土性、耐磨性、碎土性上均有所提高。許國玉[24]研究了非光滑油缸密封圈的減阻性能，主要針對活塞的運(yùn)動速度、仿生凹坑直徑與減阻特性之間的關(guān)系，結(jié)果表明當(dāng)凹坑直徑一定時(shí)，缸體速度為0.6m/s時(shí)，三角形排布的非光滑仿生密封圈減阻效果較好。

3 總結(jié)

在非光滑表面仿生的研究方面目前還沒有具體的理論體系，現(xiàn)階段主要是對生物體表面形態(tài)的簡單的模仿，對于非光滑表面具有的減粘、降阻、耐磨等特性并不能從機(jī)理上加以說明，所以日后應(yīng)不單單只是從形態(tài)上進(jìn)行仿生，應(yīng)對生物體非光滑表面的材料、加工精度以及與其接觸物的性質(zhì)進(jìn)行研究，從而來解決工程中一些難題。

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