《仿生设计学》课件 第6章 仿生设计样件评价及优化

第6章

仿生设计样件评价及优化吉林大学目录1.仿生设计样件评价方法2.仿生设计样件优化Part01

仿生设计样件评价方法生活中阻力无处不在

，例如骑车、

开车、

乘坐交通公具

，

减阻技术成了一大研究课题。1.减阻性能评价船舶航行受水的阻力飞机飞行受空气阻力压差测试法通过测量流体流过仿生材料表面时两端的压力差

，表征材料的减阻性能压差测试法原理速度/时间测试法测量使用减阻材料的样件与未使用减阻材料样件通过同样距离的时间差异

，获得减阻性能的差异速度/时间测试法在实验室环境中常用压差测试、

速度/时间测试法

，在真实环境中

，

常用开放水域测试法1.减阻性能评价开放水域测试在开放水域

，

可以测量减阻样件的剪切力F，来确定减阻系数：Cf

=

2F/(ρU2A)A是测量样品的面积

，

ρ是流体的密度

，

U是拖曳速度。将减阻材料安装到拖曳装备表面

，测得其剪切力F

，依据上式计算出减阻系数。（a）剪切传感器俯视图；（b）剪切传感器侧视图；（c）剪切传感器及样品在拖曳装备表面的安装示意图1.减阻性能评价2.

降噪性能评价在日常生活、工业生产等领域存在大量的噪音

，影响人类健康。隔声测试混响室法通过观察混响时间变化计算吸声系数

，驻波管法测量垂直入射吸声系数

，使用四传声器法计算入射、反射、透射声压及吸声尖劈反射的声压。通过大型风扇推动空气流动

，测量空气对物体的作用

，研究气动噪声

，验证降噪设计。风洞结构复杂

，需针对设计

，避免干扰

，获取声频谱和声压等级。2.

降噪性能评价声学试验风洞测试3.耐磨性能评价高铁车轮磨损衣物磨损齿轮磨损轮胎磨损

耐磨性能测试方法耐磨性能的测试主要有实验室耐磨测试和现场耐磨测试

，实验室耐磨测试主要采用机械磨损试验机、砂纸磨损、冲蚀磨损试验等方法。

机械磨损试验机测试机械磨损试验机种类繁多

，例如球式摩擦磨损试验机、转盘式摩擦磨损试验机、万能摩擦磨损试验机、高温摩擦磨损试验机等。

砂纸磨损测试砂纸磨损测试是将试样放到砂纸表面

，施加一定重量的载荷和拉力

，通过往复运动来评价其耐磨性能

，砂纸可选不同目数

，载荷可施不同重量。3.耐磨性能评价冲蚀磨损测试冲蚀磨损测试利用压缩空气将气流和磨料混合后从喷嘴喷出对样件进行冲蚀磨损

，冲蚀磨损后可采用肉眼、显微镜、原子力显微镜等手段进行分析观察。应用场景测试应用场景测试能反映耐磨材料在实际环境中的性能表现

，例如深地探测钻井过程的耐磨钻头

，只有在实际场地测试才能较好的反映其真实性能。3.耐磨性能评价4.防污性能评价

海洋中的污损生物（如细菌、

藻类、

藤壶等）

粘附在水下表面造成生物污损

，影响船体表面粗糙度

，加速表面腐蚀

，增加油耗和维护成本

，

带来巨大的经济损失。船体表面的生物污损

细菌附着测试

测试目的评估材料表面对细菌生长和生物被膜形成的抑制能力。

菌种选择依据应用环境选择

，如枯草芽孢杆菌、泛养副球菌等。

测试流程接种培养后

，通过显微镜、分光光度计等方法进行分析。4.防污性能评价

藻类附着测试

测试目的评价材料在海洋环境中对藻类附着的抵抗能力。

藻种选择选择底栖藻

，如小新月菱形藻

，并考虑水介质环境。

测试流程模拟生长环境

，暴露样品于藻液中

，培养后观察分析。4.防污性能评价虚拟藤壶测试

测试原理模拟藤壶附着

，

测量其在材料表面的附着力。

测试标准ASTM

D5618-94

(2011)

Standard

TestMethod

For

Measurement

Of

Barnacle

Adhesion

Strength

In

Shear

测试流程粘贴虚拟藤壶

，

浸海后施加剪切力直至脱落

，

记录最大拉力。

应用场景用于海洋防污涂料和材料的性能评估。模拟日常生活中的污染场景

，

评估材料表面的易清洁性。测试流程将牛奶、

果汁、

墨汁等常见污染物滴加或喷洒在样品表面

，

一段时间后进行清洁。评价方法通过观察清洁前后表面的污渍残留情况，定性评估其防污性能。牛奶、

果汁、

墨汁测试

测试原理4.防污性能评价

测试原理在真实海洋环境中长时间浸泡

，

观察其

防污性能。

测试标准遵循GB/T5370和GB/T

7789等国家标准。

测试流程安装于浅海试验架

，

定期观察并记录污

损情况。

应用场景最终验证防污产品在实际应用中的长期

有效性。4.防污性能评价实海环境测试表面反光、起雾是生活中的常见现象

，但在一些领域

，这些现象会给我们带来困扰。5.反射率、

透光率性能评价表面反光眼镜起雾反射率透光率数据：根据入射光与反射光密度之比、入射光与透射光密度之比

，可以确定材料的反射率和透光率数据

，通过调节入射光的不同波长

，可以获得波长-反射率/

透光率的数据曲线。分光光度计原理：分光光度计中常见的光源由卤钨、氘、氙弧、

LED、汞、氩、锌或激光制成

，入射狭缝

缝宽一般为5-800

μm

，常用缝宽为

10、25、

50、

100和200

μm。普通眼镜防雾眼镜抗反射性能测试：材料抗反射性能常用的测试方法是采用分光光度计测量其反射率或透光率5.反射率、

透光率性能评价（a）反射率测量原理和（b）

透光率测量原理防雾性能测试系统：

防雾性能测试系统利用夹片固定玻璃基板上的样品

，使其垂直于光束

，通过超声波加湿5.反射率、

透光率性能评价器喷射雾气

，测量样品的透光率来评价防雾性能。防雾性能测试系统在寒冷的季节

，人类的生存、设备的运行都需要一些保温措施

，开发保温材料是解决这些问题的关键。6.保温性能评价人靠衣物保温保温材料保温性能的评价方法主要有导热系数测试、热成像仪法、防护和标定热箱法等

，本小节对这些方法进行了概述。(1)导热系数测试法导热系数的测试通常使用导热系数测试仪进行测试。根据导热机理的不同

，测量方法分为稳态法和瞬态法两类。瞬态法测量原理瞬态法包括瞬态平面热源法、瞬态热线法、激光闪蒸仪法等

，通过加热过程中的过渡热流来确定热扩散系数。瞬态法的持续时间很短

，减少了流体中产生对流的机会

，可以使用少量的样品，

同时可以在高温下工作

，但其精度低于稳态的方法。稳态法测量原理稳态法包括保护热板法、热量流量计法等

，基于傅立叶定律测量导热系数

，适用于低导热系数材料和复合材料。6.保温性能评价导热系数测量示意图(2)热成像仪测量法对于样件的导热性能也可以用热成像仪进行表征。所有温度高于绝对零度的物体都会发射红外辐射能量或热量

，热成像仪是一种复杂的非接触式测量技术

，它利用红外技术来检测各种物体的热辐射

，在测量过程中将人眼看不到的红外能量转成图像显示。6.保温性能评价热成像仪测量示意图热成像仪(3)防护和标定热箱法防护和标定热箱法可参照GB/T

13475-2008/ISO8990:1994(E)《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》。其测量的基本原理是将样件放置到已知环境温度的冷室和热室之间

，在稳定状态下测量空气温度和表面温度以及输入热室的总功率

，根据这些数据计算出样件的传热性能。（a）

防护热箱法；（b）

标定热箱法防护和标定热箱法示意图（

GB/T

13475-2008）6.保温性能评价高速摄像机测试高速摄像机可以捕捉到运动的物体

，通过逐帧分析来评价其运动性能。瓦赫宁根大学的研究人员使用了3个高速摄像机来测量蚊子等昆虫的三维运动信息。惯性动作捕捉系统测试惯性动作捕捉系统是基于姿态传感器技术开发的

，具有高精度、低延迟的特点

，可以应用到游戏、运动训练、教育和培训等多个领域。光学动作捕捉系统测试光学动作捕捉系统与高速摄像机类似

，但使用的摄像机数量更多、种类更广

，例如可以使用红外摄像机

，来建立运动学模型。7.运动性能评价

●01●●02●●03●7.运动性能评价

利用高速摄像机组建的三维运动信息测量系统高速摄像作品（1）

盐雾测试利用盐雾发生设备模拟盐雾环境来测试样件耐腐蚀性能的试验

，可以分为实验室人工加速模拟盐雾环境和天然环境暴露试验。在盐雾箱中试验是常见的测试手段

，盐雾试验有划痕和不划痕两种测试方法

，划痕试验中划痕应穿插对角线

，不贯穿对角线

，距离边缘20

mm

，划至涂层基材处。腐蚀是人类在日常生活和工程方面遇到的一个极大难题

，仿生防腐技术是仿生学的一个重要研究方向。对于涂层类的防腐性能评价

，通常采用的有盐雾测试、电化学测试、紫外老化测试等。8.防腐性能评价盐雾试验箱基本结构（ISO9227:2022）腐蚀(2)

电化学测试电化学工作站是一种结合恒电位仪、恒电流仪和电化学交流阻抗分析仪的设备

，可以检测电池的基本参数

，还可以检测样件表面的腐蚀电位、腐蚀电流、等效阻抗等数据。(3)紫外老化测试紫外老化测试通常用来测试非金属材料的耐老化性能

，特别是高分子材料的测试。对于高分子材料，

由于紫外线能量较大

，可以将高分子材料的化学键破坏

，从而影响其使用寿命，通过紫外老化可以测量材料的耐老化性能（a）

电化学工作站基本结构（b）

紫外老化测试试验箱结构8.防腐性能评价结构力学仿真结构力学研究内容包括固体材料的变形、应力和应变等。颗粒仿真颗粒的处理和运动行为在多个领域广泛存在

，例如消费品、农业和重工业、食品加工业、生物制药、采矿和矿物加工、金属粉末加工、过程工业、可再生环保、能源、动物饲料、制造业、轨道交通等。颗粒仿真软件利用离散元模拟（

DEM）法，

用于分析和评估与颗粒运动相关的问题。。流体力学仿真流体力学仿真的方法称为计算流体力学

，利用计算机求解控制方程

，对物理流体的流动进行数学预测。电磁场仿真电磁场仿真的基本原理是麦克斯韦方程组。计算电磁学的算法种类繁多，

常用的包括

：有限元法、矩量法和时域有限积分法。在电磁场仿真中，

首先建立模型，

设置求解区域

，边界条件和材料性质等因素

，进行求解

，最终获得磁场分布、磁场强度、磁通量等数据。仿真模拟技术快速发展

，广泛应用于多个行业和重大工程

，如波音公司使用仿真模拟技术缩短研发周期

，

降低成本。9.仿真模拟评价Part

仿生设计样件优化02仿生设计优化仿生设计样件的性能通常不是最优的

，需要进一步的优化来获得更高的或者超越生物原有的性能指标。（1）

样件设计优化样件的设计优化方法多种多样

，需要根据具体的情况具体分析

，常见的方法包括结构设计优化、材料组份设计优化、制流流程设计优化。仿生设计样件优化

结构设计优化结构设计优化包括几个典型的步骤

，分别是设计变量、

目标函数、约束条件、试验验证。仿生设计样件优化

结构设计优化流程仿生设计样件优化

材料组份设计优化材料组份设计材料组份设计也由设计变量、目标函数、

约束条件、试验

验证四个过程

，通常包括材

料有效成分含量优化、

组份

种类优化、

组份搭配优化等。材料组份优化材料是构成仿生样件的基本

单位

，在仿生表面、仿生3D

打印、仿生机械等研究领域

都涉及到材料的选择与设计。当前仿生样件、

材料的制备方法繁多。

例如对于仿生微纳表面

，就存在着化学/物理气相沉积、

光学/化学刻蚀、

静电纺丝、

增材制造等多达几十的种的方法。无论采取哪种方法

，在制备流程优化过程中应该遵循以下原则：i.能达到设计的目标

：制造的最终目的是实现原始设计的目标，如果制备流程不能完成最终的目标

，那么制造将毫无意义；ii.流程简化：

如果某些复杂流程对最终性能的影响很小

，

那么这些流程是可以省略或简化的；iii.成本低

：成本低的样件更具有大规模应