硅酸钛合金复合保温软管 仿生防滑压接结构用于工业软管组件

文|孤馆深深

编辑|孤馆深深

基于反刍臼齿咬合面特殊的漏斗齿状结构具有防滑潜力，还可以降低应力集中的风险，创新性地提出了一种设计工业软管总成高性能压接结构的仿生策略。

利用逆向工程技术，以牛磨牙三维数字模型为代表性样机，采用拟合方法提取漏斗齿的相应特征，用于压接结构的仿生设计，数值模拟和实验结果表明，与传统型相比，仿生压接结构具有较高的抗滑体性能，并进一步探讨了仿生防滑性能的形成机理。

向大自然学习似乎是一个完美的解决方案，众所周知，牙齿进化中创造了各种近乎完美的几何形状和功能机制，以适应不同的服务条件，一般来说，它们分别根据相应的形态特征（如尖点和嵴）以较少的能量穿透或切割饲料方面有效发挥作用。

天然牙齿已成为重要的生物标本，随着仿生摩擦学的发展，牙齿结构仿生学的研究进展陆续报道，基于霍斯菲芽孢杆菌口距曲线设计的玉米收割机仿生刀片，被发现具有较强的切削能力和良好的切削质量，并证明平均最大切削力和切削能耗可明显降低。

根据土壤穴居蜣螂的前腿端齿，研制出仿生印迹齿轮，最终降低了前向阻力，扩大了印迹微盆的体积，为了提高粉体加工中的破碎性能，我们提出了基于牛齿自然摩擦对的仿生磨头，有效地实现了更高的减速比和更低的工作温度。

上述典型的仿生结构在切削或磨削工具中都取得了良好的应用效果，而将天然牙齿的几何特征转移到压接结构中的情况很少。

值得注意的是，漏斗齿，反刍臼齿表面的漏斗状凹陷结构，在饲养饲料中尤为重要：反刍动物更多地以粗纤维为食，需要更多的咀嚼活动，然后通过收敛进化而存在漏斗齿增强了牙齿结构的抗滑动稳定性。

因此当饲料被困在其中时，可以在其强大的臼齿之间完全研磨，我们曾经研究了马的生命周期中漏斗齿的各种几何形状。

并推断这种结构可以很好地抓握咬合面和摄入效率，在牛磨牙的咀嚼模拟中进一步证明了其保持功能，并开发了仿生高性能磨头，这已被实验证明。

此外我们指出了反刍动物漏斗齿的仿生应用，在生物反应器中固定设计的潜力，这些都为牙接结构的仿生防滑设计提供了线索，另一方面，人类和动物牙齿最稳定的咬合模式称为针尖位（ICP），这种咬合接触发生在牙尖和窝之间，是趋同进化的另一种表现。

它有助于在咬紧牙关时向垂直于牙尖倾斜平面的所有方向传递咬合负荷，从而避免两点接触引起的局部咬合力集中，以及咬合时对牙齿和牙周组织的损伤。

从这里我们可以看到，齿的垂直咬合与工业软管的压接过程高度相似，因此受典型牙齿表面形貌和功能原理启发，开发仿生压接结构可能是实现高可靠性压接的有效途径。

将牛下颌第一磨牙作为所选成分在当地屠宰场中从成年牛中分离出来，然后用75%酒精灭菌，用蒸馏水洗涤，并在其表面喷洒白色显影剂。

在形貌测量方面，利用三维激光扫描仪获取牛磨牙点云数据，然后借助逆向工程软件Geomagic Studio辅助重建牛磨牙CAD模型。

经过数据缩减、降噪等预处理，以及包处理、多边形编辑和NURBS曲面构造，依次对点云进行重建，它为仿生耦合元件的几何提取提供了数字基础。

我们以漏斗齿为生物耦合元件，基于功能和结构相似性设计仿生压接结构，并结合CAD软件采用拟合法提取其特征，在通过漏斗尖的冠状面上，以使用直道与漏斗槽的轮廓相匹配，形成包含的角α和正前角β来描述生物偶联元件。

根据ICP（天然牙齿最稳定的咬合模式），我们提出了一种尖到窝的卷曲形式，并结合提取的牛磨牙漏斗齿的特征，开发了卷曲表面结构。

为了检验其压接性能，对传统的尖点到尖点结构进行了比较有限元分析，仿真中假设软管主体为具有橡胶性能的各向异性和弹性空心圆柱体，其弹性模量和泊松比设置为6.11N/m2和0.49。

由于压接结构的圆形对称性，套筒的内齿和芯杆的外齿被认为是一对具有Q235钢性能的刚性齿条，相应的弹性模量和泊松比分别为210GPa和0.27，此外，仿真仅关注通过 X-Y 的轴截面，并且它们之间的摩擦系数设置为 0.7。

压接结构的几何非线性仿真过程：固定软管主体，首先沿±X方向引入2 mm位移约束，分别对内/外齿进行压接过程;然后同时对它们施加-Y方向的2-mm位移约束以模拟工作过程，分析结果统计时，选择米塞斯应力和最大主应变作为压接性能的指标。

为评价压接结构的防滑性能，采用控制变量法进行基于电子万能试验机的压接材料对比拉伸试验，铝仿生和传统压接部件在最初采用CNC铣削技术制造。

压接材料，橡皮筋的尺寸为3（THK）×30（W）×400（L）mm，一端用夹子固定，可以随横梁移动，另一端用一对铝压接部件固定。

同时通过位移控制加载测试，光束的移动速度为10 mm/min，通过比较相同载荷条件和压接量下不同压接件作用下压接材料拉伸过程中的拉伸应力-位移曲线，突出了仿生压接结构在防滑性能方面的优势。

仿生压接结构和传统压接结构在压接过程中产生的米塞斯应力，与传统的尖点到尖点压接结构相比，仿生尖到窝的压接结构能有效降低软管主体的机械应力和应力集中，在等量压接的情况下保护其结构强度和稳定性，这可以归因于随着压接结构的锐度降低，几何接触面积的变化。

从仿生压接结构在工作过程中得到的最大主应变和传统的压接结构，可以发现，传统结构尖端处的应变/变形严重，导致压接材料存在损坏和打滑的风险。

当压接材料和压接部件在Y方向上具有相对运动趋势时，压接部件将倾向于沿垂直于该领先表面的方向被推动，因此传统的压接件采用负前角结构，将在X方向上被推开，而具有正前角的仿生压接部件在将身体靠近它 。

通过以上分析可以发现，尖点具有极佳的穿透能力，窝具有扣留和遏制的功能，尖头-窝点组合的优点是显而易见的，不仅可以减少所需的力和能量，促进压接过程的顺利进行，还可以提高压接结构的防滑稳定性。

作为一种聚合物材料，橡胶在刚拉伸时表现出严格的应力和位移比例关系，如果伸长率继续，应力和位移之间的关系仍然正相关，但不再成正比，并在屈服点d处达到最大值，在 0.2 mm 的小压接量的情况下，当应变超过屈服点时，实验条的应力减小，直到滑出。

然而仿生结构显著延缓了被压接材料的滑移，相应的拉伸位移从75.317 mm扩展到170.637 mm，与传统结构相比具有较高的抗滑移性，在压接量为 1.0 mm 的情况下，试纸材料中的微晶结构受到严重破坏。

其分子来不及沿力方向重排，表现出脆性，进一步发现仿生结构具有较高的压接可靠性，对材料的损坏较小，拉伸应变增加了约3.58%，以上结果均表明仿生压接结构在防滑性能方面具有良好的综合性能。

我们致力于学习反刍动物磨牙的自然摩擦对，以增强压接结构的防滑性能，基于结构和功能的相似性分析，将特殊的漏斗齿状结构应用于压接结构的仿生设计。

它有助于深入了解牙齿形态，并为仿生功能表面的设计提供新思路，在我们目前研究的范围内，反刍臼齿的宏观几何形状被模仿，然而，它仍然需要从有效的仿生学到高性能仿生学的不断探索，考虑到天然牙齿的优异材料特性，多耦合仿生学是未来研究的一个可能领域。

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