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      基于魚吸附原理的仿生吸盤設計與性能分析

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-23 10:51:38    瀏覽次數:13    評論:0
      導讀

      針對現有仿生吸盤主要應用于干燥環境的現狀,對魚吸盤吸附機理進行探究,運用仿生學原理和負壓吸附原理,設計出一種橢圓狀外形的仿生吸盤,并分別從吸附能力、摩擦抗阻能力和抗傾覆力矩能力三方面闡述各影響因素對吸盤吸附性能的影響。最后建立有限元仿真模型,利用ANSYS軟件對仿生吸盤實體模型進行有限元分析,分析

        針對現有仿生吸盤主要應用于干燥環境的現狀,對魚吸盤吸附機理進行探究,運用仿生學原理和負壓吸附原理,設計出一種橢圓狀外形的仿生吸盤,并分別從吸附能力、摩擦抗阻能力和抗傾覆力矩能力三方面闡述各影響因素對吸盤吸附性能的影響。最后建立有限元仿真模型,利用ANSYS軟件對仿生吸盤實體模型進行有限元分析,分析結果表明對魚吸盤的吸附性能起主要影響作用的是吸盤密封邊的密封效果,而該密封效果與材料特性和接觸面所受壓應力直接相關。

      關鍵詞 魚吸盤; 仿生學; 負壓吸附; 有限元分析

      引 言

      隨著仿生技術的發展,自然界許多具有優良吸附特性的物種成為仿生吸盤領域的研究對象,例如壁虎、章魚、水蛭、龍虱、樹蛙等[1-2]。對這些生物吸盤進行仿生研究的側重點各有不同,有的僅在吸盤樣式上進行仿生研究,有的則在吸盤布局方面進行仿生研究,也有的在吸附力產生機理上進行仿生研究[3]。在研究過程中已經發現許多生物吸盤特性能夠提高吸附能力,例如龍虱吸盤的多吸盤吸附方式可以提高吸盤的抗傾覆能力[4],章魚吸盤內部的褶皺有利于提高吸盤的密封性能[3]等。人們早已注意到魚在水下優越的吸附性能,魚吸盤內部隔板將整個吸盤分隔成多個腔室,有利于提高吸盤的抗傾覆力矩,而內部隔板的褶皺有利于提高吸盤的密封性能[5]。為充分發揮仿生優勢,研究出能與魚吸盤相媲美的仿生吸盤,需要對魚吸盤的吸附機理進行深入研究。本文利用負壓吸附原理對魚吸盤進行仿生設計,從吸盤骨架、皮肉及結構方面入手,設計了一種橢圓狀外形的仿生吸盤;并對吸盤的吸附性能進行理論分析,最后通過有限元仿真驗證設計方案的合理性。

      1 仿魚吸附系統設計

      本文利用負壓吸附原理對仿生魚吸盤進行初步設計,負壓產生方式為貼合式,基本設計思路如下。

      (1)驅動方式選擇。在傳統吸盤吸附過程中,貼合力的形成主要依靠真空發生器或者磁力作用兩種方式 [5]。真空發生器體積龐大,而較小的電磁力就可以使吸盤達到貼合要求,并且結構簡單、占用空間小,因此選用電磁力作為吸盤貼合驅動。采用電機與絲桿螺母機構驅動骨架分離的方式使吸盤形成負壓型腔。

      (2)吸盤骨架形式設計。根據魚吸附過程,與魚吸盤型腔形成有關的吸附運動主要依靠嵌于作為密封邊的隔板內的鰭棘運動。然而魚骨架復雜,依靠鰭棘運動方式難以實現,因此對魚吸盤的吸附運動進行簡化。根據負壓形成原理可知,魚吸附的條件都是在隔板的嚴格密封下形成負壓型腔,因此假定魚吸盤隔板內骨架固定,使吸盤型腔內骨架運動,拉出負壓型腔。若想使吸盤脫離宿主,通過電機反轉,讓驅動骨架反向運動,使其與固定骨架貼合,從而消除負壓型腔,使得吸盤靈活脫離宿主。

      (3)吸盤皮肉形式設計。吸盤結構以每對隔板為單位。隔板與宿主接觸面作為吸盤密封邊,采用密封性能好的橡膠材料制作。型腔內填充材料選用彈性較好的橡膠材料。密封邊表皮需制作出大量的微小突起以抵抗摩擦[6]。

      (4)吸盤結構形式設計。根據魚吸盤的結構形式,將仿生吸盤結構形式設計為:整體俯視呈橢圓型,更有利于空間布置,前端比后端稍尖;內部左右均衡布置20 對左右隔板;盤邊向外傾斜,盤內隔板向前端傾斜;隔板間隔型腔內填充肌肉[7]。型腔形成后的吸盤效果圖如圖1所示。

      根據以上原則設計出的仿生吸盤總體原理圖如圖2所示。

      圖1 吸盤效果圖
      Fig.1 Suction cup 3D model

      圖2 吸盤總體原理圖
      Fig.2 Diagram of the suction cup

      2 仿生吸附吸盤性能分析

      2.1 吸附力影響因素

      根據真空吸盤吸附力計算原理FpSp為壓強差,S為吸盤接觸面積),具體分析吸盤吸附力在吸附面積和真空度共同作用下的吸附能力,先不考慮吸盤縱向隔板作用,并作如下假設:①吸盤吸附密封性能良好;②吸盤吸附于宿主底部,且宿主底部為一平面;③航行器質心和浮心位于同一豎直線上,可將航行器看作與吸盤緊密相連的一個質點;④吸盤縱向排列型腔有n個,即共有n+1條密封邊。

      吸盤吸附受力圖如圖3所示。

      圖3 吸盤受力分析
      Fig.3 Force analysis of the suction cup

      因此吸盤吸附力可以按式(1)計算

      F

      (1)

      式中A為吸盤與宿主接觸時,型腔與宿主接觸面積及各密封邊與宿主接觸面積的總和;A0k(k=1,2,…,n)為各型腔與宿主接觸面積;p0k為各型腔表面壓強。易知當pp0k一定時,A越大,吸附力越大。假設各密封邊與宿主接觸面積分別為Ak(k=1,2,…,n+1),因此有

      (2)

      由于各型腔內的真空度Δpk=p-p0k,吸盤吸附力可改為與真空度有關的公式

      F

      (3)

      由于始終都有ppk,因此當A一定時,越大吸附力越大。在各個密封邊的接觸面上的平均壓強為

      (4)

      過大時,在密封邊接觸面上產生的壓強就越小,因此密封效果差,各接觸面接觸不緊密,將會存在內壓過大即真空度過小的許多小型腔,以致吸附力小。

      除了平均壓強外,影響阻流通道和變形分布均勻性的其他一些因素也直接關系到密封性能的好壞,如材料物理特性、接觸表面狀態、外界環境等。

      2.2 抵抗水阻能力

      由于剛毛制作困難,本文選用不光滑表面代替剛毛產生抵抗水阻的靜摩擦力。不光滑表面在微觀表面存在一定量的波峰波谷,吸盤表面制造出的突起物與接觸表面的波峰波谷相互嵌入,將會形成一種機械互鎖。在吸附力作用下,小凸起在柔性材料的變形作用下卡入接觸表面波谷,從而吸盤被鎖死。所以要使在接觸表面上的吸盤移動,需要抵消吸盤表面凸起脫離吸附表面波谷所需要的應變力[8]。因此吸盤抵抗水阻的能力與材料、突起大小和吸附表面狀態息息相關。想要在突起情況下達到抵抗水阻的目的,那么在吸盤大小和壓應力一定的情況下,吸盤的數量越多則抵抗水阻的性能越好,即大的吸附接觸面有利于抵抗大的水阻力。

      2.3 抵抗傾覆力矩能力

      為研究抵抗傾覆力矩能力,先假設吸盤沒有內部隔板,吸盤內外壓差為Δp。建立如圖4所示的受力圖,圖中建立坐標系,其中Y 軸垂直于紙面。

      圖4 吸盤受傾覆力矩簡圖
      Fig.4 Moment diagram of the suction cup

      由于吸盤俯視平面為一橢圓面,假設吸盤的橢圓密封邊為一條符合y=D(x)方程的橢圓線,橢圓邊線所受接觸力沿X軸符合N(x)分布,圖4中所示N(x1)和N(x2)分別為吸盤前后兩端點所受的接觸力,而其他任意N(xk)表示x=xk的所有接觸點所受接觸力的總和。根據力矩M平衡公式有

      M=?

      (5)

      式中θ為吸盤上表面單元與XOY面所成角度,因此有

      cosθdS=dxdy

      (6)

      所以有

      M=?

      (7)

      式中的物理意義為x=xk直線被吸盤邊線包圍部分的線段長。由此可知,吸盤抵抗傾覆力矩的能力不但與接觸應力N(x)有關,還與真空度以及邊線y=D(x)的形狀有關。當吸盤形狀一定時,所受傾覆力矩越大,對接觸應力N(x)分布的影響越嚴重。在吸盤受到傾覆力矩時,合適的形狀有利于改善接觸應力N(x)的分布。仿生吸盤內有許多隔板將整個吸盤分成很多個型腔塊,而且每一個型腔內負壓并不一致。因此式(7)可寫為

      (8)

      由式(8)可知,吸盤受到傾覆力矩時,可以通過改變各腔室的負壓分布保持良好的密封效果。

      3 仿生吸盤有限元仿真分析

      3.1 有限元模型建立

      本文仿真軟件選用ANSYS,在ANSYS Workbench平臺的Static Structure模塊中進行仿真。建立仿真模型并進行有限元分析步驟如下。

      (1)仿真幾何模型??梢詫⑽P簡化為一部分為受接觸變形的密封邊部分,另一部分為支撐部分。因此仿真幾何模型包括密封邊部分、支撐部分和宿主板3個部分,宿主板用于模仿吸附對象。3個部分在三維軟件中經裝配后輸出為Parasolid格式,然后導入Static Structure模塊。圖5為導入ANSYS后吸盤的有限元幾何模型。

      圖5 吸盤仿真幾何模型
      Fig.5 Finite element model of the suction cup

      (2)材料設置和網格劃分。吸盤整體材料選用通用的超彈性材料,即橡膠類的Mooney-Rivlin模型,這個模型可以模仿的材質有聚氨酯橡膠、硅橡膠和丁腈橡膠等。在網格劃分中,由于本文主要觀察吸盤底面的狀態,因此需要對吸盤內表面網格進行細化處理。吸盤網格類型選用四面體網格,網格大小設置為0.5 mm。宿主板和壓力板都是輔助分析模型,網格設置可以大一些,選用5 mm的六面體網格。圖6所示為吸盤的網格劃分模型。

      圖6 吸盤網格模型
      Fig.6 Grid model of the suction cup

      (3)載荷與約束設置。對仿生吸盤進行貼附分析和穩固吸附分析。貼附分析通過對壓力板施加預加載荷力,觀察分析吸盤的壓力分布。穩固吸附分析是對吸盤穩固吸附后,分析吸盤抵抗外加載荷的能力。

      3.2 貼附分析

      加載載荷共分為3步,每步時間為1 s,加載載荷為20 N。設加載載荷均勻分布于吸盤支撐件上表面[9]。

      3.2.1 幾種不同密封邊形狀對貼附性能的影響

      本文設計3種不同的密封邊截面形狀,分別稱為a型、b型和c型,如圖7所示。

      圖7 3種不同密封邊截面圖
      Fig.7 Sectional drawings of three different sealing edges

      圖8 貼附性能分析壓力云圖
      Fig.8 Stress nephograms of attachment performance analysis

      圖8(a)、(b)、(c)分別為a型密封邊型吸盤、b型密封邊型吸盤和c型密封邊型吸盤貼合受壓垂向壓應力云圖,正值表示受拉,負值表示受壓。如圖所示,a型密封邊壓應力集中分布于密封邊上,并構成了多個完整回路,說明a型密封邊能達到很好的密封效果;b型邊沿沒有連續受壓區,兩端型腔密封開口很大,密封性很差,中間隔板區域的壓力分布均勻,不存在壓力集中的線性密封閉環,隔板形成的型腔周邊密封性能不理想;c型吸盤不但邊沿密封性能不好,而且內部型腔無一能形成壓應力封閉環路,即各個型腔沒有一個能夠密封。由此可見,直角邊的a型密封邊有著更好的密封性能。因此,改變密封邊截面形狀對改進吸盤性能具有重要的意義。

      3.2.2 吸盤隔板對吸盤邊沿貼附性能的影響

      本次仿真選用a型密封邊型吸盤作為研究對象,此外還包括內無隔板密封邊(d型密封邊),內有隔板密封邊且隔板頂面和邊沿頂面有1 mm距離密封邊(e型密封邊),以及內有隔板密封邊且隔板頂面和邊沿頂面有0.5 mm距離密封邊(f型密封邊)。當吸盤表面受到貼合作用力后,壓力云圖分別如圖8(d)、(e)、(f)所示。由d 型密封邊的壓力云圖(圖8(d))可見,吸盤邊沿由于內部沒有隔板限制,整個邊沿向外擴展,同時受壓區域的寬度也得到擴展,但在整個受壓區的外部集中。對吸盤邊緣受壓圈附近取點,從顯示的壓力值可以發現壓力下降很快,而且受壓圈上的壓力值很高,因此吸盤邊沿在無隔板作用時受壓區更寬,壓力集中更明顯。由e 型吸盤和f 型吸盤的壓力云圖(圖8(e)、(f))可以看到吸盤邊沿的受壓區寬度變窄,對f 型吸盤壓力云圖中受壓最大的壓力圈區域取點觀察,發現壓力下降很慢,峰值壓力變小。因此可以說明隔板的向內拉緊作用使吸盤邊沿壓力環路區域收攏,但同時壓應力在區域內有均布趨勢。本次仿真對仿生吸盤設計的啟示是:當邊沿未達到很好的貼附效果時,可以考慮使吸盤隔板保持一定的展向擴展能力,比如在隔板上設計沿展向的褶皺。

      3.2.3 剛性骨架對吸盤貼附性能的影響

      為探究魚吸盤剛性骨架對吸盤貼附性能的影響,設計了全柔性無骨架支撐吸盤和僅隔板無骨架的支撐吸盤,其壓力云圖分別如圖8(g)、(h)所示,由圖可見骨架有助于吸盤的密封。通過隔板骨架運動使隔板內無骨架支撐,可以改變吸盤的密封性,使之不完全密封,以便達到靈活脫離宿主的效果。

      3.3 穩固吸附分析

      穩固吸附時內部型腔形成負壓,此時吸盤受到的載荷有吸盤外表面的環境壓力和吸盤內表面的型腔壓力。由于吸盤在水下工作,因此外部環境壓力大于101.325 kPa。由于本文穩固吸附仿真旨在對吸盤的吸附性能進行定性研究,因此對吸盤內外具體壓力不作要求。假設吸盤外部壓強為105 Pa,而型腔可以通過調節型腔腔室體積來控制腔內壓力,因此假設腔內壓力可以在0~5×104 Pa之間變動。除內外壓力外,在不受其他外部載荷作用時,調節各型腔內壓使之相等,統一為2×104 Pa[10]。以a型吸盤為研究對象,如圖9(a)所示為吸盤穩固吸附時的壓力云圖。由圖可見在水壓和平均分布的內壓作用下,吸盤能保持良好的密封回路;由于各個腔室被密封回路阻隔分開,各個型腔能夠單獨改變內壓,使吸盤內的整體內壓分布不再均勻。

      圖9 吸盤穩固吸附分析壓力云圖
      Fig.9 Stress nephograms of the steady adsorption analysis of the suction cup

      穩固吸附后,在吸盤頂面外加10 N·m的傾覆力矩以模擬水阻的傾覆作用,得到吸盤的壓力云圖如圖9(b)所示。從圖中可以看到吸盤內部受壓應力值不再均布于各密封隔板和邊沿密封圈上,而是向一側偏移,如圖中左側以A作為密封回路,而右側以B作為密封回路。同時在吸盤最左側型腔處的密封回路已經出現開口,表明即此時最左側型腔密封已經遭到破壞,但其他型腔仍然保持良好的密封。

      4 結論

      (1)通過改變吸盤密封邊形狀及其分布可以改善吸盤的吸附效果。

      (2)吸盤內部隔板結構有助于吸盤邊沿吸附。隔板對邊沿的密封效果影響不容忽視,改變隔板形狀可以改良吸盤邊沿密封。

      (3)仿生魚吸盤可以通過調節骨架運動達到靈活脫離宿主的效果。

      (4)多腔室仿生魚吸盤自身便具有良好的抵抗傾覆的能力,并且可以通過改變型腔壓強分布更好達到抵抗傾覆作用的目的。

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