章鱼吸盘高吸附性能研究及仿生吸盘设计

发布时间：2021-06-09 21:23

随着科学技术的不断进步,人们对生产和生活水平自动化的要求显著提高,吸盘类机器人及大功率吸附设备作为自动吸附装备的主要部件,在科学研究、工业生产、海底资源探测与开发等领域的应用日益普遍。在新的环境下,吸盘作为工业生产和日常生活必备品,其发展必将迎来前所未有的机遇。为满足吸附设备对较高吸附强度及日益广阔作业环境的需求,设计出吸附能力强、作业范围广的新型吸盘已成为当今吸盘工业发展的主要方向。吸盘行业在满足社会对高新吸盘需求的同时,必将创造巨大经济效益。然而现用的单个吸盘的吸附性能与作业范围很有限,针对真空吸盘的研究也多集中在吸盘材料、结构及与其配套的真空发生装置方面。通过对具有较高吸附性能的生物吸盘进行研究,并将生物吸盘的形态特点应用于现有吸盘设计中的思路,为新型高吸附性吸盘的研究指引了新的方向,具有十分重要的意义。仿生学作为一门新兴的模仿生物高超本领的学科,在形态仿生和结构仿生方面的研究最为普遍和成熟。本实验室根据多种生物体表面存在的非光滑形态,建立了系统全面的仿生非光滑理论,以此为基础设计的仿生钻头、仿生发动机活塞、仿生泥浆泵活塞、仿生针头等均表现出较好的工作性能。本文根据工业常用吸盘的形态特点,选择章鱼吸盘作为生物原型,对其高吸附性能进行研究。应用体视显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜等设备对章鱼吸盘的生物学及运动学进行观察,得出章鱼吸盘的吸附机理及吸盘表面的非光滑形态对吸附性能的作用。本文根据仿生学原理,将章鱼吸盘表面存在的一字形、人字形、圆环形形态应用于生活及工业吸盘形态的设计中,并对吸盘非光滑形态的排布方案进行设计,得到仿生一字形5凹槽、10凹槽、20凹槽,仿生人字形5凹槽、10凹槽、20凹槽,仿生圆环形2凹槽、3凹槽、4凹槽九种仿生形态吸盘。应用ANSYSWorkbench有限元软件对标准吸盘与仿生吸盘的吸附过程进行模拟,通过对吸盘底面应力及边缘部位位移变形量的分析,得知章鱼吸盘表面分布的非光滑形态有利于吸盘边缘部位形成较好的密封效果且利于吸盘产生较大的密封面积。根据标准吸盘及仿生吸盘三维模型,应用逆向工程计算方法,设计出与各种形态吸盘完全配套的吸盘模具模型。应用3D打印技术,用PLA材料打印出吸盘模具实物模型。基于打印完成的吸盘模具,按照经多组试验得到的吸盘材料最佳配比方案,进行标准吸盘及仿生吸盘的实物浇注。在透明硅胶、固化剂(硫化物)、硅油以质量比20:1:3配比时,吸盘浇注实验效果及得到的吸盘实物性能最佳。分别在干燥条件和湿润条件下对加工的实物吸盘进行吸附性能测试,对比分析标准吸盘与仿生吸盘的吸附性能,研究仿生吸盘表面存在的非光滑形态对吸盘吸附能力的影响。结合有限元模拟结果,找出吸附效果最佳的仿生吸盘形态,研究其密封及吸附机理,为非光滑形态对吸盘吸附性能影响的研究提供一定理论基础。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q811

文章目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 真空吸盘的研究现状

1.2.1 真空吸盘发展现状

1.2.2 真空吸盘材料研究现状

1.2.3 真空吸盘结构研究现状

1.2.4 真空吸盘研究存在的不足

1.3 仿生对象的选择

1.4 章鱼吸盘的研究现状

1.5 章鱼吸盘形态在工业吸盘领域的应用及存在的问题

1.6 仿生非光滑理论研究现状

1.7 本文研究的主要内容

第2章章鱼吸盘生物学特性研究及吸附机理分析

2.1 章鱼吸盘生物学特性研究基础

2.1.1 章鱼吸盘样品制备

2.1.2 实验设备介绍

2.2 章鱼吸盘结构形状及表面形态研究

2.3 章鱼吸盘吸附机理研究

2.3.1 吸盘吸附前后表面形态变化及对比研究

2.3.2 吸盘吸附前后内外腔口直径变化及对比研究

2.3.3 章鱼吸盘吸附运动及非光滑形变研究

2.3.3.1 实验样品及实验设备

2.3.3.2 章鱼吸盘吸附运动研究

2.3.3.3 吸盘吸附运动过程及非光滑形变分析

2.4 章鱼吸盘高吸附性及非光滑密封机理分析

2.4.1 吸盘吸附力影响因素分析

2.4.1.1 吸盘密封性能对吸附力的影响

2.4.1.2 吸盘真空度对吸附力的影响

2.4.2 吸盘吸附力大小分析计算

2.4.3 章鱼吸盘非光滑表面对高吸附性能的影响

2.4.4 章鱼吸盘非光滑密封机理分析

2.5 本章小结

第3章基于章鱼吸盘形态的仿生吸盘设计

3.1 标准吸盘设计与三维模型建立

3.2 仿生吸盘表面凹槽形态设计

3.3 仿生吸盘表面形态参数设计

3.3.1 仿生吸盘表面凹槽尺寸设计

3.3.2 仿生吸盘表面凹槽形态分布设计

3.4 仿生吸盘三维模型的建立

3.5 本章小结

第4章标准吸盘与仿生吸盘有限元分析

4.1 有限元及ANSYSWorkbench平台简介

4.1.1 有限元分析方法及ANSYS软件简介

4.1.2 ANSYSWorkbench平台简介

4.2 吸盘有限元分析参数设置

4.2.1 标准吸盘有限元分析参数设置

4.2.1.1 ANSYS有限元分析模型的建立

4.2.1.2 有限元分析载荷的设定

4.2.2 仿生吸盘有限元分析过程设置

4.3 标准吸盘及仿生吸盘有限元结果分析

4.3.1 标准吸盘预加载过程有限元Mises应力结果分析

4.3.2 仿生吸盘预加载过程有限元Mises应力结果分析

4.3.3 标准吸盘与仿生吸盘Mises应力对比分析

4.4 吸盘下压过程形变有限元分析

4.4.1 吸盘下压过程有限元形变结果

4.4.2 标准吸盘与仿生吸盘形变结果对比分析

4.5 吸盘吸附性能分析

4.6 本章小结

第5章吸盘实物模型加工方案设计

5.1 标准吸盘模具设计及建模

5.1.1 标准吸盘模具的尺寸设计

5.1.1.1 标准吸盘模具顶壳设计

5.1.1.2 标准吸盘模具底壳设计

5.1.2 标准吸盘模具的三维建模

5.2 仿生吸盘模具设计及建模

5.2.1 仿生吸盘模具底壳设计

5.2.2 仿生吸盘模具底壳的三维建模

5.3 吸盘模具实物的3D打印

5.3.1 3D打印设备简介

5.3.2 标准吸盘模具顶壳与底壳的实物打印

5.3.3 仿生吸盘模具底壳的实物打印

5.4 吸盘实物模型的浇注

5.4.1 吸盘浇注材料的选取

5.4.2 吸盘的浇注过程

5.4.2.1 吸盘材料的配比及实验步骤

5.4.2.2 吸盘的浇注及脱模过程

5.5 本章小结

第6章标准吸盘与仿生吸盘吸附性能试验

6.1 实验设备及实验过程

6.1.1 实验设备介绍

6.1.2 实验平台安装及实验过程

6.2 干燥条件下吸盘吸附力测试结果

6.3 湿润条件下吸盘吸附力测试结果

6.4 吸盘吸附结果对比分析

6.5 圆环形仿生吸盘高吸附性能机理分析

6.6 本章小结

第7章全文总结与工作展望

7.1 主要工作与结论

7.2 工作展望

参考文献

导师及作者简介

在学期间取得的科研成果

致谢

【参考文献】