仿生硅藻典型殼壁結(jié)構(gòu)的水潤(rùn)滑軸承摩擦學(xué)性能研究

為攻克我國(guó)水中航行器推進(jìn)系統(tǒng)中水潤(rùn)滑軸承迫切需要解決的承載力不足、減振、降噪、安全、可靠和高效等關(guān)鍵難題，把硅藻殼壁典型二級(jí)孔結(jié)構(gòu)引入到水潤(rùn)滑軸承的摩擦學(xué)研究中，從而實(shí)現(xiàn)水潤(rùn)滑軸承內(nèi)表面的仿生設(shè)計(jì)。通過建立包含仿生硅藻殼壁典型二級(jí)孔結(jié)構(gòu)的摩擦學(xué)模型，借助數(shù)值和實(shí)驗(yàn)等手段，研究了孔洞形狀、幾何尺寸、分布規(guī)律等特性對(duì)水潤(rùn)滑軸承的承載力、摩擦磨損、應(yīng)力、熱變形、噪音、氣蝕等影響。數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)光滑軸承而言，仿生硅藻殼壁典型二級(jí)孔結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的單層表面織構(gòu)更能提高軸承潤(rùn)滑劑的承載力，降低其摩擦系數(shù)，同時(shí)也能降低軸承的噪音。而且上述影響與孔狀結(jié)構(gòu)的尺寸、位置和分布規(guī)律密切相關(guān)。上述研究為水潤(rùn)滑軸承性能改進(jìn)和壽命提升提供了新的手段。 上述研究成果 發(fā)表論文共17篇，其中SCI論文13篇、EI論文1篇; 授權(quán)軟件著作權(quán)1項(xiàng)；申請(qǐng)了相關(guān)發(fā)明專利6項(xiàng)，授權(quán)5項(xiàng), 其中有一項(xiàng)發(fā)明專利為科研儀器設(shè)備。本項(xiàng)目培養(yǎng)了研究生13人，畢業(yè)7人。參加了相關(guān)的國(guó)內(nèi)外會(huì)議6次，1名博士生赴美進(jìn)行學(xué)術(shù)交流1次；組織了硅藻學(xué)術(shù)研討會(huì)3次。 2100433B

硅藻是自然界中一類分布極其廣泛的浮游生物。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，硅藻殼壁特殊的多級(jí)孔洞結(jié)構(gòu)，具有極高的彈性、韌性和優(yōu)良的摩擦學(xué)等性能，這使硅藻具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。為攻克我國(guó)水中航行器推進(jìn)系統(tǒng)中水潤(rùn)滑軸承迫切需要解決的承載力不足、減振、降噪、安全、可靠和高效等關(guān)鍵難題，在集成機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在水潤(rùn)滑軸承研究和應(yīng)用方面多年技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，利用關(guān)于硅藻結(jié)構(gòu)最新的研究成果，把硅藻殼壁典型二級(jí)孔結(jié)構(gòu)引入到水潤(rùn)滑軸承的摩擦學(xué)研究中，從而實(shí)現(xiàn)水潤(rùn)滑軸承內(nèi)表面的仿生設(shè)計(jì)。通過建立包含仿生硅藻殼壁典型二級(jí)孔結(jié)構(gòu)的摩擦學(xué)模型，借助數(shù)值和實(shí)驗(yàn)等手段，研究孔洞形狀、幾何尺寸、分布規(guī)律等特性對(duì)水潤(rùn)滑軸承的承載力、摩擦磨損、應(yīng)力、熱變形、噪音、氣蝕等影響，并揭示出一般影響規(guī)律，從而確定最佳的仿生孔洞結(jié)構(gòu)，為提高我國(guó)水中航行器使用的水潤(rùn)滑軸承的摩擦學(xué)性能，降低其噪音，避免其常見失效現(xiàn)象的發(fā)生提供新的研究手段。

在清華大學(xué)教授呂富殉先生的文章“走向21世紀(jì)——建筑仿生學(xué)的過去和未來”中，介紹了建筑仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容（見圖）。

總的來說，建筑仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容大致可歸納為以下幾個(gè)方面：

（1）建筑的功能與空間（形象）的組織。

（2）生物界的某些結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系以及它們形成的特殊方法和規(guī)律。

（3）建筑與自然環(huán)境的相互關(guān)系問題以及生態(tài)保護(hù)問題的解決。

（4）生物界某些帶有規(guī)律性的美學(xué)潛力的發(fā)掘以及建筑美學(xué)問題。

仿生建筑的創(chuàng)作以功能和形象的統(tǒng)一為基礎(chǔ)，并將建筑和生物界形象構(gòu)成的和諧為追求目標(biāo)，具體來說，就是從建筑的使用功能出發(fā)，找到一種合適的形象，能更充分地滿足建筑的使用功能及其特定的社會(huì)需要。豐富多彩的生物界向我們提供了取得功能和形象間的和諧關(guān)系的規(guī)律，給我們提供了無窮無盡的仿生構(gòu)思的源泉，同時(shí)我們也可以看到，任何規(guī)律和原則都有可能通過不同的具體形式表現(xiàn)出來，這為我們正確地利用生物界和建筑的共同規(guī)律提供了保障。

德國(guó)著名仿生學(xué)家Werner Nachtigall在其著作《Pattern of Nature》中提出了“適合功能之造型的仿生學(xué)設(shè)計(jì)原則”，其中包括：整體化而不是附加構(gòu)造，整體的最優(yōu)化而不是零件的最大化，多功能而不是單一功能，對(duì)環(huán)境的微調(diào)，節(jié)能，直接和間接的太陽能利用，整體的循環(huán)代替不必要的垃圾堆積，網(wǎng)絡(luò)化關(guān)聯(lián)而不是線狀聯(lián)系等。

仿生學(xué)的設(shè)計(jì)原則給予建筑仿生設(shè)計(jì)一些有益的啟示：

建筑仿生學(xué)整體優(yōu)化原則

美國(guó)建筑師富勒從結(jié)晶體和蜂窩的棱形結(jié)構(gòu)得到啟發(fā)，提出：“世界上存在著能以最小結(jié)構(gòu)提供最大強(qiáng)度的系統(tǒng)，整體表現(xiàn)大于部分之和”。他依據(jù)“少費(fèi)多用”的原則，設(shè)計(jì)了最有效率的活動(dòng)住宅（Dymaxion House）和裝配形球架（Geodesic Dome） （圖4-3）。福斯特和格雷姆肖得益于富勒的直接教誨，在資源優(yōu)化的建筑設(shè)計(jì)上成了高技派建筑師的典范。

德國(guó)建筑師奧托在20世紀(jì)60年代組織了“Biologic and Architecture”研究小組，探索材料的高效應(yīng)用及與環(huán)境親和的建筑。奧托也崇尚“Less is More”，奧托關(guān)注資源的整體優(yōu)化。奧托認(rèn)為他的建筑創(chuàng)作不是從形式出發(fā)，而是從高效的生物適應(yīng)性得到啟發(fā)。材料科學(xué)的發(fā)展使得奧托的鋼索張膜高效結(jié)構(gòu)在全世界得到廣泛應(yīng)用（圖4-4）。

建筑仿生學(xué)適應(yīng)性原則

適應(yīng)性是生物經(jīng)過長(zhǎng)期的進(jìn)化得到的為適應(yīng)周圍環(huán)境而形成的積極共生策略。動(dòng)物教會(huì)我們?nèi)绾螒?yīng)付高溫或低溫，植物又展示給我們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)太陽光輻射的生存模式，兩者都提供了抵抗惡劣天氣的嶄新的處理方法。

把這種方法應(yīng)用在建筑上是很有利的。例如人們研制了“特朗布壁”外墻系統(tǒng)（TrombeWalls），它利用熱虹吸管/溫差環(huán)流原理，使用自然的熱空氣或水來進(jìn)行熱量循環(huán)，從而降低供暖系統(tǒng)的負(fù)荷。在寒冷季節(jié)，墻體可以利用自身收集太陽輻射的能力加熱空腔內(nèi)的空氣或水，新鮮空氣則從墻體底部進(jìn)入其空腔中，被熱空氣或水加熱后進(jìn)入室內(nèi)，使熱空氣在室內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。

建筑仿生學(xué)多功能原則

從某種意義上講，人有三層皮。第一層是人的自然皮膚，熱的時(shí)候它可以出汗，冷的時(shí)候會(huì)起雞皮疙瘩，能以不同的方式對(duì)所處環(huán)境作出微調(diào)：第二層是人的衣服，隨著四季的交替人們可以增減衣服，以適應(yīng)季節(jié)變化；第三層則是建筑物的表皮。過去，建筑表皮是僵化不變的，不隨季節(jié)的變遷而變化。但在仿生學(xué)研究中，建筑不再僅僅是“保溫箱”，除了被動(dòng)地保溫，以防止熱量散失，它還應(yīng)主動(dòng)地利用太陽能；在冬季，白天要充分吸收陽光，夜晚則要防止熱量散失；在夏季，則要滿足防熱要求。仿生學(xué)的多功能原則為滿足這些多重需要提供了思路。

生物氣候緩沖層（ BBL=Bioclimate Buffering Layer）就是典型的多功能策略。它是指通過建筑群體之間的組合關(guān)系、建筑單體的組織和建筑各種細(xì)部的設(shè)計(jì)，在建筑與周圍生態(tài)環(huán)境之間建立一個(gè)緩沖區(qū)域，在一定程度上防止各種極端氣候條件變化對(duì)室內(nèi)的影響，同時(shí)強(qiáng)化使用者需要的各種微氣候調(diào)節(jié)手段。生物氣候緩沖層具體可以大到街道、廣場(chǎng)等空間，也可以是建筑的外維護(hù)結(jié)構(gòu)，還可以小到建筑的細(xì)部構(gòu)造。

雙層皮玻璃幕墻是生物氣候緩沖層設(shè)計(jì)原則的具體體現(xiàn)。這種光、薄、透的新型表皮構(gòu)造，在冬季的白天可以保證室內(nèi)獲得足夠的日照，以高效實(shí)現(xiàn)太陽能的被動(dòng)式利用，晚上除了中空玻璃可以有效地阻止長(zhǎng)波輻射以外，關(guān)閉的特制金屬百葉相當(dāng)于增加了一道保溫層，有效地阻止了室內(nèi)熱量的散失；而在夏季，空腔內(nèi)因熱壓而上升的空氣能將金屬百葉吸收的熱量帶至窗外，通過調(diào)節(jié)雙層幕墻之間的特制遮陽構(gòu)件還可以起到遮陽和熱反射作用，從而實(shí)現(xiàn)建筑的被動(dòng)式降溫（圖4-6）。 2100433B

《水潤(rùn)滑軸承的摩擦磨損性能及潤(rùn)滑機(jī)理的研究》（Study on friction and wear property and lubricant mechanism of water lubricated bearing）是重慶大學(xué)2002年授予陳戰(zhàn)學(xué)位的論文，指導(dǎo)為秦大同、王家序。

學(xué)科專業(yè)

機(jī)械設(shè)計(jì)與理論

學(xué)位級(jí)別

d 2002n

關(guān)鍵詞

軸承 水潤(rùn)滑軸承 摩擦 磨損 潤(rùn)滑

館藏號(hào)

TH133

唯一標(biāo)識(shí)符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.002548893

館藏目錄

2004\TH133\11 2100433B