砂鱼蜥（Scincus scincus）表皮鳞片微观形态观察与耐磨、减阻特性研究

论文摘要

为解决在农业机械领域中,农机具触土部件的摩擦损伤导致零件失效的情况和土壤粘附现象导致前进阻力增大的问题,本文以砂鱼蜥为研究对象,对砂鱼蜥表皮鳞片进行微观结构分析、表面形貌分析、摩擦学分析,以及对砂鱼蜥头部形貌特征进行逆向工程的重构与研究。旨在了解并掌握砂鱼蜥鳞片的微观结构特点以及摩擦学行为,揭示表皮鳞片的耐磨特性和摩擦减阻机理,对工程实际应用中的仿生耐磨和减阻材料,以及仿生几何表面的设计制造提供理论依据和技术基础。本文的具体研究内容如下:通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察砂鱼蜥表皮鳞片的微观几何结构,并进行定量分析几何结构的尺寸。结果表明,鳞片包括表皮层和真皮层两部分。其中表皮层由四层组成,由内向外依次为发生层、生活细胞层、带有生物柔性的α-角质层和较硬的β-角质层。背部表皮鳞片为多边形,腹部表皮鳞片呈六边形,鳞片从头部到尾部如覆瓦状排列,宏观上背部比腹部表皮鳞片的尺寸大。背部表皮鳞片的微刺具有分形结构;腹部表皮鳞片的微刺无分形结构。背鳞与腹鳞微刺的排间距之比为0.11:1;中心距之比为0.38:1;微刺刺峰之比为1.4:1;前倾角度相差14.9o;微刺密度之比为1.07:1。为得到砂鱼蜥头部的特征曲面,采用三维立体扫描仪对砂鱼蜥头部进行扫描;通过逆向工程Geomagic Wrap和Imageware软件,对砂鱼蜥头部曲线点云数据进行提取和处理;在MATLAB软件中将点云曲线拟合为多项式方程;最后运用CATIA软件完成曲面的重构。结果表明,砂鱼蜥头部的拟合曲线精确度较高,适用于曲面重构的参数设置,为仿生减阻农机具触土部件提供理论基础。用接触角测量仪,通过量角法研究砂鱼蜥鳞片表面的润湿性及其对摩擦特性的影响。结果表明,鳞片表面具有亲水性,属于亲水性材料,背部、腹部和头部鳞片表面的接触角分别为77.58°、64.12°、52.22°。鳞片表面的微观结构对润湿性有着一定的影响,微刺鳞片结构可以增加亲水性;结合AFM分析软件得到砂鱼蜥背部、腹部和头部表皮鳞片的面积比为:1.108、1.071、1.033。在微观范围内,鳞片表面的接触角随着微刺鳞片结构排布的密度增大而增大,也随着微刺刺峰高度的增加而增大。用多功能针盘式摩擦磨损试验机,通过往复式运动方式研究砂鱼蜥表皮鳞片的摩擦学性能。结果表明,背部和腹部表皮鳞片的摩擦系数都随着摩擦载荷和摩擦频率的增加而减小。其中背部表皮鳞片的摩擦系数平均值为0.2,腹部表皮鳞片的摩擦系数平均值为0.295。根据砂鱼蜥表皮鳞片的微观几何结构,设计了四种仿生几何表面结构样件,和一种光滑表面结构样件用作对照试验。通过3D打印技术进行制备,使用旋转摩擦磨损试验机测试各样件表面的摩擦磨损特性。结果表明,根据腹部鳞片设计的一号微刺结构和根据背部鳞片设计的二号微刺结构以及鳞片结构、微刺鳞片结构和光滑表面结构的磨损率分别为4.02%、0.84%、3.61%、0.27%、6.52%。其中,微刺鳞片的磨损率最小,证明仿砂鱼蜥表皮的微刺鳞片结构可提高样件表面的耐磨特性。二号微刺结构比一号微刺结构的磨损率小,证明仿砂鱼蜥背部表皮几何结构样件的耐磨性高于仿腹部表皮几何结构样件。基于旋转摩擦磨损试验的分析结果,利用金属3D打印技术加工鳞片表面、微刺表面和微刺鳞片表面三种仿生几何表面,应用于小型开沟器上。通过土槽试验,进一步验证和研究仿生几何表面的减阻特性。结果表明,在仿生几何表面开沟器中,微刺鳞片仿生表面开沟器的牵引阻力最小,为30.25 N;微刺仿生表面开沟器的牵引阻力其次,为37.23 N;牵引阻力较大的是鳞片仿生表面开沟器,牵引阻力值为44.32 N。当前进速度为0.4 m/s时,牵引阻力都较0.2 m/s和0.6 m/s时的牵引力值小,此速度下减阻效果最佳。本文所得的研究结果表明,砂鱼蜥具有耐磨减阻特性,砂鱼蜥表皮鳞片的微观几何结构起到了关键作用,此结论能够为设计制造仿生农机具触土部件提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 仿生学概述
•     1.1.1 仿生学含义
•     1.1.2 仿生学研究内容
•     1.1.3 仿生学的研究现状
•   1.2 摩擦学领域
•     1.2.1 生物摩擦学
•     1.2.2 仿生摩擦学
•   1.3 仿生减阻
•   1.4 课题的研究背景
•     1.4.1 仿生农业机械的研究背景
•     1.4.2 开沟器的研究现状
•     1.4.3 金属3D打印技术
•     1.4.4 研究对象的背景
•   1.5 课题相关的国内外研究现状
•   1.6 论文研究的主要内容
• 2 砂鱼蜥体表鳞片的微观形态观察及分析
•   2.1 试验测试设备及其原理
•   2.2 试验样品的选取和制备
•     2.2.1 试验样品的选取
•     2.2.2 试验样品的制备
•     2.2.3 试验方法
•   2.3 观察结果与讨论
•     2.3.1 TEM观察的微观形貌
•     2.3.2 SEM观察的微观形貌
•     2.3.3 AFM观察的微观形貌
•   2.4 本章小结
• 3 砂鱼蜥头部特征曲面的逆向工程提取及重构
•   3.1 试验设备的选取与功能
•   3.2 试验方法以及样品制备
•     3.2.1 试验方法
•     3.2.2 试验样品的制备
•   3.3 砂鱼蜥头部特征曲线的逆向工程提取
•     3.3.1 砂鱼蜥头部曲面的几何模型
•     3.3.2 砂鱼蜥头部曲面的点云处理及曲线上点坐标的提取
•     3.3.3 头部特征曲线的数学模型及分析
•   3.4 砂鱼蜥头部特征曲面的重构
•   3.5 本章小结
• 4 砂鱼蜥表皮鳞片的润湿性
•   4.1 润湿性与接触角
•   4.2 砂鱼蜥鳞片表面的润湿性试验
•     4.2.1 试样的制备
•     4.2.2 试验方法
•     4.2.3 试验结果
•   4.3 砂鱼蜥表皮鳞片微观形貌对接触角的影响
•   4.4 本章小结
• 5 砂鱼蜥表皮鳞片的摩擦磨损特性研究
•   5.1 试验设备及其工作原理
•   5.2 试验样品的制备及试验方法
•     5.2.1 试验样品的制备
•     5.2.2 试验方法
•   5.3 砂鱼蜥表皮鳞片的摩擦磨损性能分析
•     5.3.1 背部表鳞片试验结果分析
•     5.3.2 腹部表鳞片试验结果分析
•   5.4 本章小结
• 6 仿生几何表面的旋转摩擦磨损试验
•   6.1 磨料磨损特性
•   6.2 试验设备与试验方法
•     6.2.1 试验设备
•     6.2.2 试验方法
•   6.3 试验样品的制作与试验方案的确定
•   6.4 试验结果与分析
•   6.5 本章小结
• 7 仿生微型开沟器的土槽试验
•   7.1 试验设备与试验方法
•     7.1.1 试验设备
•     7.1.2 试验方法
•   7.2 试验结果与分析
•   7.3 本章小结
• 8 结论与展望
•   8.1 结论
•   8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读学位期间发表的学术论文及研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李莹

导师: 张智泓

关键词: 仿生学,砂鱼蜥,表皮鳞片,微观形貌,摩擦特性,耐磨减阻特性

来源: 昆明理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 生物学,农业工程

单位: 昆明理工大学

分类号: S220;Q811

DOI: 10.27200/d.cnki.gkmlu.2019.001147

总页数: 103

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