高深寬比微納層次結(jié)構(gòu)仿壁虎腳毛參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、壁虎可以在垂直墻面甚至天花板上自由爬行，他們和未知粗糙表面接觸時(shí)，能產(chǎn)生牢固的粘附并輕易的脫附，這些特性在MEMS 器件可拆卸安裝和固定、爬壁機(jī)器人等領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。壁虎腳毛的分級(jí)層次結(jié)構(gòu)，特別是其微米級(jí)剛毛/納米級(jí)絨毛的高深寬比微納層次結(jié)構(gòu)，是保證壁虎腳毛既產(chǎn)生巨大粘附力又適應(yīng)不同表面形貌的關(guān)鍵。為此本學(xué)位論文開(kāi)展對(duì)壁虎腳毛精細(xì)分層結(jié)構(gòu)各參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要工作如下：
　　 建立微尺度接觸的力學(xué)模型，解釋了壁虎腳毛

2、粘附機(jī)理；為了更接近實(shí)際情況，考慮表面粗糙度對(duì)粘附力的影響，建立了單根絨毛與粗糙表面接觸模型，以及單層、雙層以及三層粘附陣列與粗糙表面接觸模型；進(jìn)行接觸全過(guò)程的粘附情況仿真，分析并總結(jié)了表面粗糙度、預(yù)載荷和結(jié)構(gòu)剛度等因素對(duì)粘附能力的影響。
　　 分析壁虎腳毛的各種粘附特性，以及環(huán)境適應(yīng)性要求，提出了強(qiáng)的粘附力、防糾結(jié)、防自斷裂、快速脫附、較好的粗糙表面適應(yīng)性等若干設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；采用自下而上的設(shè)計(jì)思想，建立了相應(yīng)的力學(xué)模型；分析并總結(jié)

3、約束模型中各參數(shù)變化對(duì)纖維半徑、纖維長(zhǎng)度、陣列占空比、陣列對(duì)稱性、粘附力以及粘附功等參數(shù)的影響。
　　 綜合考慮上述各約束條件，進(jìn)行多目標(biāo)多參數(shù)尋優(yōu)求解，得到仿壁虎腳毛粘附結(jié)構(gòu)的層次性幾何特征(分形維數(shù))、陣列幾何特征(陣列密度、陣列對(duì)稱性)以及單根接觸幾何特征(接觸半徑、深寬比、傾斜角)等設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的第一級(jí)結(jié)構(gòu)的纖維半徑、長(zhǎng)度均在壁虎腳絨毛測(cè)量值范圍內(nèi)，第二級(jí)結(jié)構(gòu)的纖維半徑、長(zhǎng)度也在壁虎腳剛毛測(cè)量值范