非光滑仿生的研究現(xiàn)狀

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，并應用到各個領域，本文主要對非光滑表面仿生研究現(xiàn)狀進行簡要的概述。

關鍵詞：非光滑表面；研究現(xiàn)狀；簡要概述

中圖分類號：S-1 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160431027

1 引言

仿生學（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，應用到實際生活中來解決現(xiàn)實問題的一門科學，是生物與技術連接的橋梁，其研究內(nèi)容包括生物學、數(shù)學和工程技術等在內(nèi)的新興綜合性的邊緣學科。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，至現(xiàn)如今只有50多年的發(fā)展歷史，但隨著現(xiàn)代科學技術的突飛猛進，仿生學的研究內(nèi)容得到了較大提高和豐富，在機械仿生、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體之間的體表不可能完全相同。近些年來，國內(nèi)外學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，并通過大量的試驗設計得出非光滑表面在一定程度上具有減粘、降阻、耐磨等特性。隨之其應用也越來越廣泛，同時也取得了一定的成效，因此，非光滑表面的研究對科學的進步與發(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到的游速與實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性，可減少粘附阻力的假設，科學家們經(jīng)由20多年的研究，證實了此假設的正確性，海豚在游動時，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行了研究，并將分布有2.54×10-2mm微小凸狀物的非光滑表面粘貼在飛機機體上，結(jié)果機身阻力下降了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)已被良好地應用于泵的設計中[9]。1997年，Barthlott和Neihuis[10，11] 2位科學家發(fā)現(xiàn)荷葉的自清潔功能，并提出了“荷葉效應”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，已設計并生產(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、浙江大學、北京航空航天大學、西北工業(yè)大學[13，14]等高等學府對非光滑表面的耐磨、減阻及脫附等方面進行研究，已將研究成果應用到航空航天、農(nóng)業(yè)機械、工業(yè)加工制造等領域，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]對破碎機內(nèi)襯的材質(zhì)和表面形態(tài)進行了優(yōu)化，其中在表面形態(tài)設計方面采用波紋型非光滑表面，在相同條件下通過ANSYS有限元軟件分析計算出光滑與非光滑波紋型襯板表面所受到的等效應力，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，運用了激光熔凝技術對鑄鐵材料進行非光滑處理，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)進行分析與研究，通過實驗得出經(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)，采用激光技術對灰鑄鐵材料試樣（長×寬×高=40mm×20mm×6mm）表面非光滑處理，并進行了熱疲勞試驗和磨損試驗，試驗條件與制動鼓實際工作環(huán)境最大可能趨于一致，此研究應用到制動鼓上，對改善其摩擦磨損性能以及抗熱疲勞性能具有一定實際意義。李龑[18] 研究了仿生非光滑表面在往復運動下的耐磨性。為了實現(xiàn)非光滑表面試樣的往復運動和摩擦磨損測試，研制了高速高載往復式摩擦磨損試驗機，并在此試驗機上對加工藝簡單、造價低廉的垂直走向溝槽型的非光表面試樣進行試驗。試驗中獲取了大量的數(shù)據(jù)，在周期性摩擦磨損試驗中，影響試樣耐磨性的主次因素：負載→電機轉(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]采用逆向工程技術對汽車表面進行非光滑設計。并用計算流體力學（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)，設計出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行了研究分析。由鯊魚鱗片的啟發(fā)，設計出三種新型溝槽面的圓管，對其進行大渦模擬并采用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]利用仿生學方法，仿蜣螂頭部表面，將仿生凸包幾何結(jié)構(gòu)運用在鎮(zhèn)壓輥表面的設計上（4個因素：高徑比、橫向間距、角間距、配重）。同時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有限元軟件進行仿真分析，在此基礎上，進行土槽與田間實驗。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程度。金俊[23]對水田犁壁進行了仿生非光滑設計，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)濟效益對比試驗，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，主要針對活塞的運動速度、仿生凹坑直徑與減阻特性之間的關系，結(jié)果表明當凹坑直徑一定時，缸體速度為0.6m/s時，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理上加以說明，所以日后應不單單只是從形態(tài)上進行仿生，應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)進行研究，從而來解決工程中一些難題。

參考文獻

[1] Kramer MO. Boundary layer stabilization by distributed damping[J]. J Am Soc Naval Eng（Feb），1960：25-33.

[2] Gray J. Studies in animal locomotion[J]. VI. The propulsive powers of the dolphin. J Exp Biol，1936（13）：192-199.

[3] Carmer PW. Status of transition delay using compliant walls. In： Bushnell DM， Hefner JN（eds）Viscous drag reduction boundary layers[J]. Process in astronautics and aeronautics， 1990（123）.AIAA Washington.

[4] Walsh MJ. Riblets as a Viscous Drag Reduction Technique[J]. AIAA Journal，1983（5）：485.

[5] Walsh MJ. Turbulent Boundary layer Drag Reduction using Riblets[J].AIAA，1982：82-169.

[6] Walsh MJ， Lindemann AM. Optimization and Application of Riblets for Turbulent Drag Reduction[J]. AIAA Paper， 1984：0347.

[7] Walsh MJ. Riblets in Viscous Drag Reduction in Boundary layers[J]. Process in Astromautics and Areonautics.1990（123）：203-61.

[8] De Meis. Stick-to-it riblets[J].Aerospace America，1988（1）：48-49.

[9]賈兵云.凸包型仿生非光滑表面自由式磨料磨損行為[D].吉林：吉林大學，2004.

[10] Barthlott W， Neinhuis C. Purity of the sacred lotus， orescape from contamination in biological surfaces[J]. Planta， 1997，202（1）：1-8.

[11] Neihuis C， Barthlott W. Characterization and distribution of water-repellent， self-cleaning plant surfaces[J]. Annals of Botany 1997（79）：667-677.

[12]陶敏.凹坑形仿生非光滑表面減阻和遺傳優(yōu)化研究[D].吉林：吉林大學，2007.

[13]趙軍.凹坑形仿生非光滑表面的減阻性能研究[D].遼寧：大連理工大學，2008.

[14]張國耕.車身仿生非光滑表面氣動減阻特性研究[D].浙江：浙江大學，2010.

[15]方杰.破碎機內(nèi)襯板耐磨性的計算機模擬與優(yōu)化[D].遼寧：東北大學，2011.

[16]宋冬雪.仿生非光滑制動轂組織性能研究[D].吉林：長春工業(yè)大學，2011.

[17]武麗君.灰鑄鐵的仿生非光滑表面的熱疲勞及摩擦磨損特性的研究[D].吉林：吉林大學，2012.

[18]李龑.往復運動下仿生非光滑表面耐磨性能研究[D].浙江：浙江大學，2014.

[19]諶可.非光滑車表汽車的空氣阻力特性研究[D].浙江：浙江大學，2012.

[20]馮猛.仿生起壟鏟降阻特性研究[D].吉林：吉林大學，2013.

[21]黎潤恒.仿生非光滑表面圓管湍流減阻的數(shù)值研究[D].廣東：華南理工大學，2013.

[22]常原.凸包幾何結(jié)構(gòu)仿生土壤鎮(zhèn)壓輥[D].吉林：吉林大學，2014.

[23]金俊，李建橋，張廣權(quán)等.仿生非光滑水田犁壁的設計及田間應用試驗[J].農(nóng)機化研究，2015（12）：160-165.

[24]許國玉，趙建英，趙剛等.仿生非光滑油缸密封圈的減阻特性研究[J].液壓與氣動，2015（1）：97-100.