吉林大学学报(工学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (1): 392-400.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20230234

• 农业工程·仿生工程 • 上一篇    

仿清道夫下唇结构除污性能分析

王淑坤1(),冯育泽1,2,张景然1,张心明1,郑龙2,3()   

  1. 1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022
    2.吉林大学 威海仿生研究院，山东 威海 264207
    3.吉林大学 工程仿生教育部重点实验室，长春 130022
  • 收稿日期:2023-03-17 出版日期:2025-01-01 发布日期:2025-03-28
  • 通讯作者: 郑龙 E-mail:wsk@cust.edu.cn;zhenglongcclg@163.com
  • 作者简介:王淑坤（1969-），女，教授，博士. 研究方向：现代机械设计理论与方法. E-mail：wsk@cust.edu.cn
  • 基金资助:
    山东省自然科学基金项目(ZR2021ZD27)

Analysis on decontamination performance of lower lip structure of imitation scavenger

Shu-kun WANG1(),Yu-ze FENG1,2,Jing-ran ZHANG1,Xin-ming ZHANG1,Long ZHENG2,3()   

  1. 1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China
    2.Weihai Institute for Bionics，Jilin University，Weihai 264207，China
    3.Key Laboratory of Bionic Engineering，Ministry of Education，Jilin University，Changchun 130022，China
  • Received:2023-03-17 Online:2025-01-01 Published:2025-03-28
  • Contact: Long ZHENG E-mail:wsk@cust.edu.cn;zhenglongcclg@163.com

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104

摘要：

针对海洋设施表面的硬质海洋污损物设计了一种接触式仿生除污结构，通过理论模型及实际试验对不同结构的除污性能进行了测试，并根据试验结果对其除污机理做出了分析。结果表明：最大直径（Dm）和纵向缩减率（Y*）相同时，直径缩减率（D*）在6%~8%的结构具有更好的除污性能，而在Dm和D*相同时，随着Y*增大，除污性能随之提高。分析其原因，D*和Y*是影响除污过程中切向刮擦力的主要仿生结构参数，对D*和Y*进行适当设计，可以提升仿生除污结构的除污性能。结合仿真模拟和实际试验可知，D*=8%的结构具有最佳除污性能。

关键词: 机械设计及理论, 结构仿生, 模拟仿真, 摩擦磨损, 接触式除污

Abstract:

A contact bionic decontamination structure was designed for the hard marine pollutants on the surface of marine facilities. The decontamination performance of different structures was tested by theoretical model and practical experiment， and the decontamination mechanism was analyzed according to the test results. The results show that when the maximum diameter （Dm） and the longitudinal reduction ratio （Y*） are the same， the diameter reduction ratio （D*） is between 6%~8%， the structure has better decontamination performance， and when Dm and D* are the same， the decontamination performance increases with the increase of Y*. Analysis of the reasons shows that D* and Y* are the main bionic structural parameters that affect tangential scraping force in the process of decontaminating. Proper design of D* and Y* can improve the decontaminating performance of the bionic decontaminating structure. Combined with simulation and actual test， it can be seen that the structure with D*=8% has the best decontamination performance.

Key words: mechanical design and theory, biomimetic structure, simulation and emulation, friction and wear, contact cleaning

中图分类号: 

  • TH117.1

图1

嘴部动态"

图2

嘴部结构信息"

图3

嘴唇扫描电镜图"

图4

除污结构尺寸示例"

图5

模型图例"

图6

接触对的穿透"

表1

不同生长阶段藤壶的黏接情况［16］"

生长阶段黏结形式黏结力/N强度/MPa
介虫形幼虫暂时黏结<0.000 60.15~0.30
介虫形幼虫永久黏结<0.0200.97
壳状幼虫永久黏结<0.3500.17
成体永久黏结<1800.93

图7

网格无关性验证"

图8

网格划分情况"

图9

摩擦副模型"

图10

计算结果云图"

图11

Dm=1.8 mm， Y*=2%结构对被清洁面施加的最大切向应力-速度折线图"

表2

Dm=1.8 mm，Y*=2%结构的磨损体积"

结构名（Dm-Y*-D*）磨损体积/mm3数值顺序
1.8-2-40.016 6545
1.8-2-50.016 7424
1.8-2-60.017 2321
1.8-2-80.017 0642
1.8-2-100.016 8433

图12

Dm=1.8 mm Y*=6%结构对被清洁面施加的最大切向应力-速度折线图"

表3

Dm=1.8 mm，Y*=6%结构的磨损体积"

结构名（Dm-Y*-D*）磨损体积/mm3数值顺序
1.8-6-40.016 9645
1.8-6-50.017 0244
1.8-6-60.017 6522
1.8-6-80.017 9841
1.8-6-100.017 3143

图13

Dm=1.4 mm Y*=2%结构对被清洁面施加的最大切向应力-速度折线图"

表4

Dm=1.4 mm，Y*=2%结构的磨损体积"

结构名（Dm-Y*-D*）磨损体积/mm3数值顺序
1.4-2-40.015 0275
1.4-2-50.015 4893
1.4-2-60.015 8981
1.4-2-80.015 6872
1.4-2-100.015 3654

图14

Dm=1.4 mm， Y*=6%结构对被清洁面施加的最大切向应力-速度折线图"

表5

样件参数"

编号

最大直径

Dm/mm

纵向缩减率

Y*/%

直径缩减率

D*/%

11.428
21.4210
31.468
41.4610
51.828
61.8210
71.868
81.8610

图15

样件实物图"

图16

摩擦副运动示意图"

图17

Dm=1.4 mm， Y*=2%结构摩擦因数-时间曲线图"

图18

Dm=1.4 mm，Y*=6%结构摩擦因数-时间曲线图"

图19

Dm=1.4 mm结构试验中对磨件磨损量"

图20

Dm=1.8 mm， Y*=2%结构摩擦因数-时间曲线图"

图21

Dm=1.8 mm， Y*=6%结构摩擦因数-时间曲线图"

图22

Dm=1.8 mm结构试验中对磨件磨损量"

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