核电站有大量构件工作在高温、高压、辐射等复杂环境中，构件表面的热疲劳问题属于世界性难题。本项目以核电装备关键构件为主要研究对象，以仿生优化设计、多尺度数值分析和实验研究为主要研究手段，研究了核电关键构件的热疲劳裂纹萌生、扩展机理与仿生防护技术等相关科学问题。4年来，在基金委的资助和指导下，本项目超额完成了预定计划。 首先建立了核电装备流固界面热冲击问题的物理模型，提出了无限元-有限元相结合的多尺度热冲击分析方法，解决了热应力分析的多尺度问题，为仿生多级粗糙表面的热冲击研究奠定了理论基础。研究表明，最大热冲击应力发生在固体表面或者几个毫米深度以内，主要与热冲击温度差有关，与热冲击时间几乎无关。发现核电站核泵主轴、管道系统等高温环境下工作的部件受冷却水冲击局部容易出现表面裂纹，提出了通过优化设计表面微结构提高热防护能力、防止结构热疲劳损伤的新理念。研究发现，表面多级微结构对降低冷水冲击产生的表面热应力具有显著效果，随着边界温差的增大，粗糙结构的热防护性能越来越明显。此外，我们还研究了固体表面黏附层对于热冲击应力的影响、碳纳米管表面改性等热冲击防护问题，发现通过合理设计表面微结构增加表面边界层厚度能够进一步有效防止管路热疲劳问题。 在核主泵飞轮形状优化设计方面取得重要突破。核泵飞轮是核电安全的最后一道防线，要求寿命长、可靠性高、惯性矩大。但是惯性矩和结构寿命与可靠性是一对矛盾体，并且飞轮质量受到了核主泵推力轴承承载能力的限制。我们在给定飞轮质量和设计寿命条件下，以惯性矩最大、结构可靠性最好为协同设计优化目标，发现了飞轮结构最优形状，不但在同等质量下，可以提高惯性矩22%以上，而且大幅度提高了安全性。优化设计后的飞轮寿命达到无穷寿命，满足了核电装备安全寿命要求。比普通飞轮设计的使用寿命提高了几个数量级，为新型飞轮结构优化设计提供了全新思路和设计理念。该项成果已经在国际结构与多学科优化顶级杂志（SMO）上发表论文一篇，接受稿件一篇。 本项目在执行期间，共完成和发表SCI收录学术论文15篇，EI收录论文2篇，参加国际学术会并宣读论文5人次，其中2次小型会议特邀报告。申请国家发明专利5项，授权国家发明专利1项。获得辽宁省自然科学奖二等奖一项。各项研究成果远超过预期。 2100433B

核电站有大量构件工作在高温、高压、辐射等复杂环境中，构件表面经常出现热疲劳裂纹甚至热疲劳断裂，即使微小热疲劳裂纹一旦遇到地震或其它突发外载荷作用也可能引发灾难性事故。由于核电装备对材料成分要求严格，采用镀膜等常规技术很难解决热疲劳问题，属于世界性难题。本项目以核电装备关键构件为主要研究对象，以仿生优化设计、多尺度数值分析和实验研究为主要研究手段，研究核电关键构件的热疲劳裂纹萌生、扩展机理与仿生防护技术等相关科学问题。受生物材料启发，主要通过优化设计材料表面和亚表面几何微结构来实现大幅度提高材料的抗热冲击和抗热疲劳性能，从而起到事半功倍的效果。最终提出核电装备关键构件热疲劳裂纹创新仿生防护技术，为我国核电技术可持续发展做出贡献。

第1章绪论

1.1仿生四足机器人概况

1.1.1仿生行走机构

1.1.2仿生四足机器人

1.2脱粒技术概况

1.2.1脱粒技术

1.2.2种子玉米脱粒装置

1.2.3种子玉米损伤籽粒发芽率研究

1.3生物结构色与变色概况

1.3.1结构色形成机理

1.3.2化学色形成机理

1.3.3结构色类型

1.3.4蝴蝶鳞片微观结构与光学特性

1.3.5生物色变色

1.4颈椎假体设计概况

1.4.1颈椎有限元建模方法

1.4.2颈椎假体设计

参考文献

第2章仿生行走技术

2.1山羊步态采集试验

2.1.1试验方法

2.1.2试验过程

2.1.3试验数据处理

2.2山羊坡地行走步态分析

2.2.16°坡地山羊上坡行走步态分析

2.2.26°坡地山羊下坡行走步态分析

2.2.318°坡地山羊上坡行走步态分析

2.2.418°坡地山羊下坡行走步态分析

2.2.536°坡地山羊上坡行走步态分析

2.2.636°坡地山羊下坡行走步态分析

2.2.7不同坡度步态分析

2.3山羊坡地运动机理分析

2.3.1山羊身体结构分析

2.3.2山羊步态运动影响因素

2.3.3山羊运动分析

2.3.4山羊力学分析

2.4仿山羊行走机构研究

2.4.1仿山羊行走机构设计

2.4.2仿山羊行走机构三维实体建模

2.4.3仿山羊坡地行走机构动态仿真分析

2.5小结

参考文献

第3章仿生脱粒技术

3.1玉米果穗生物特性

3.1.1种子玉米穗特性分析

3.1.2种子玉米籽粒特性分析

3.2种子玉米籽粒力学特性

3.2.1试验准备

3.2.2结果分析

3.2.3籽粒裂纹分析

3.3玉米果穗离散特性

3.3.1玉米果穗籽粒组砌规律对其离散效果的影响

3.3.2玉米果穗离散分析

3.3.3玉米果穗籽粒间循环力衰败分析

3.4玉米果穗裸手仿生差速脱粒

3.4.1玉米果穗籽粒裸手脱粒

3.4.2玉米果穗区间裸手脱粒效果分析

3.5玉米果穗鸡喙啄籽仿生离散

3.5.1试验材料及设备

3.5.2试验方法

3.5.3鸡喙啄食穗体籽粒的离散力学特征分析

3.6小结

参考文献

第4章仿生变色技术

4.1蝴蝶鳞片微观耦合结构

4.1.1蝴蝶鳞片形态与颜色

4.1.2蝴蝶鳞片微观结构

4.1.3蝴蝶鳞片结构模型

4.2蝴蝶鳞片结构色光学试验

4.2.1鳞片光学变色

4.2.2光学试验

4.2.3光学试验结果与分析

4.3蝴蝶鳞片结构色光学机理分析

4.3.1颜色的产生机制

4.3.2结构色着色机理

4.3.3理论计算分析

4.3.4结构色变色机理

4.4多层薄膜耦合结构仿生设计

4.4.1多层薄膜耦合结构分析

4.4.2多层薄膜耦合仿生设计

参考文献

第5章仿生矫形技术

5.1医学建模实例

5.1.1医学图像数据采集

5.1.2逆向工程建模技术

5.1.3三维实体重建

5.1.4划分网格与建立韧带

5.1.5边界条件设置

5.1.6模型验证

5.2单节段植入模型建立实例

5.3仿生融合器设计

5.3.1仿生融合器形状设计

5.3.2仿生融合器结构设计

5.3.3仿生融合器表面形态设计(1)

5.3.4仿生融合器表面形态设计(2)

5.3.5仿生融合器表面形态设计(3)

5.4小结

参考文献2100433B

在自然界中，生物经过亿万年的进化，对生存环境具有高度的适应性。生物的感知、指令、决策、反馈、运动等机能和外部器官的结构为新产品优化设计和发明创造提供了灵感，为人类解决科技难题提供了仿效对象，以此创造出的新理论和新技术，对仿生机械工程、生物制造工程、组织工程、医学工程等相关工程学科的发展具有重大促进作用。

本书对仿生行走技术、仿生脱粒技术、仿生变色技术三方面进行了详细的论述。仿山羊坡地行走机构设计为今后仿山羊坡地行走机构物理样机的结构设计提供了有力的参考依据；仿鸟类喙部离散玉米、人类手工脱粒玉米机理的玉米果穗籽粒低损伤仿生脱粒设计为低损伤玉米种子脱粒机研究提供理论依据；仿蝴蝶鳞片结构色变色机理的仿生多层膜结构设计为仿生变色结构设计提供理论基础。

本著作理论与实践相结合，内容新颖，图文并茂，具有先进性、针对性和实用性的特点。可作为高等普通院校机械类工科专业有关仿生技术的教材，也可作为工程技术人员或相关研究者从事仿生设计和分析的技术参考书。

高速数控机床的高加速度、高精度特点要求机床运动部件必须质量小、刚性高。提高机床运动构件的比刚度成为高速机床结构设计的重要主题。生物体结构是亿万年自然选择和生命进化的结果，充分体现了自然进化的趋向：用最少的结构材料来承受最大的外力，也就是达到最高的比强度比刚度，或者说最佳的结构效能。本课题以提高机床运动构件的比刚度为目标，研究结构件仿生设计的理论、准则和方法，进行机床工作台、横梁、主轴箱等典型结构件仿生设计，对结构中的框、肋、筋等结构依据结构仿生的原则布置和成型，以取得最佳的轻量化效果。对设计结果进行仿真验证，以比刚度最高为目标，优化结构参数。探讨复杂仿生结构的制造工艺，使结构仿生设计成果具有制造技术的支持，并对样件进行比刚度实验验证。本课题将进一步完善结构仿生设计的理论体系，提出结构仿生设计的准则和方法，具有科学意义，研究成果在高性能高速机床结构的轻量化设计中具有重要的应用前景。 2100433B