仿生表面形貌增摩增阻机理研究

利用摩擦力来传递动力和防止滑动的应用极为广泛，许多动物具有很强的攀爬附着能力，利用仿生技术研究其增摩增阻机理，具有重要的理论意义和实际应用价值。近年来仿生摩擦学的研究主要集中在减摩、减粘、减阻、脱附理论等方面，而本项目是针对增摩增阻机理的研究；而对于机械摩擦传动主要集中在新材料方面的研究，本项目利用仿生技术研究摩擦表面形貌，是一种新的研究思路和方法。以龙虱、蚂蚁和蜜蜂等脚部的可变形柔性表皮垫子为仿生对象，分析研究攀爬粘附机理，构建仿生增摩表面，建立仿生柔性表面－柔性表面、仿生柔性表面－刚性表面摩擦学模型。利用理论分析和实验研究方法，采用回归正交实验，研究在平面摩擦和圆弧摩擦传动情况下，仿生摩擦表面形态、结构参数、排列方式、材料特性等对摩擦特性的影响，对仿生表面形貌的增摩机理进行系统的研究和分析，揭示粘着系数与各影响因素之间的内在规律，为摩擦传动和增阻防滑表面的设计与应用提供可靠的理论依据。

本项目对蚂蚁、蜜蜂、苍蝇、蝗虫和树蛙等典型攀爬动物足部的柔性表皮垫进行了深入研究，将动物足垫结构分为刚毛型结构、光滑表皮垫结构和吸附结构，并分析了这三种结构的摩擦机理及结构特征。刚毛型足垫与接触面之间的作用力主要由吸附力、范德华力（不分泌粘液）、毛细作用力（分泌粘液）；光滑型足垫与接触面之间除了湿粘附以外，还有界面摩擦力和柔性互锁作用；吸盘型足垫与接触面之间产生真空吸附作用力。利用工程仿生学的知识，根据苍蝇刚毛末端的凹坑型足垫结构，设计了具有凹坑式吸盘结构的仿生表面；根据树蛙的六棱柱凸起形状，设计了具有六棱柱凸起的仿生表面；根据蝗虫足垫所具有的球形凸起形态和排列结构，拓展设计了圆柱形凸起、凸台形凸起和球冠形凸起结构的仿生表面系列。利用接触力学及摩擦学的知识，分析了仿生表面的增摩机理及影响因素，推导了仿生表面与接触面之间摩擦力及摩擦系数的计算公式。理论研究表明：在一定的压力下，凸起形仿生表面与其他柔性表面接触时，会产生镶嵌啮合效应，凹坑形仿生表面与接触面之间产生真空吸附效应，这是仿生表面具有增摩效果的主要原因。仿生表面的增摩效果与外界的压力、单元体的分布密度、尺寸、排列方式等有关，且它们之间是相互关联的，具有一定的耦合关系。利用ANSYS软件对凸起形仿生表面进行了模拟仿真，分析了球冠形、圆柱形、圆台形等单个凸起及多个凸起在不同压力作用下与柔性表面接触时的变形情况。并分析了形状、分布密度等对摩擦力的影响。在同等条件下，球冠形凸起的增摩效果比较好，矩形排列方式增摩效果较差。对同一仿生表面，有一最佳压力，可使其达到最大的增摩效果。 利用自制平面摩擦试验台对几种仿生表面进行了试验，得出了不同形状、不同分布密度、不同压力、不同排列方式、不同硬度等因素与摩擦力的关系图。将仿生表面粘贴在驱动滚筒表面，得到了仿生驱动滚筒，利用带式输送机试验台，进行了圆弧摩擦试验，与光滑表面相比，仿生表面的摩擦系数最大增加了16.7%。将仿生驱动滚筒应用到现场，摩擦系数增大了10%左右。综上所述，本项目综合利用多种学科知识，设计了仿生增摩表面，并利用理论分析、模拟仿真、试验的方法，研究了仿生表面的增摩机理及影响因素，并在现场应用中取得了较好的效果。今后还需要在产品的系列化、制备工艺方面做更深入的研究。