高深寬比微納層次結構仿壁虎腳毛參數(shù)優(yōu)化設計.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，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、爬壁機器人等領域有著極為廣闊的應用前景。壁虎腳毛的分級層次結構，特別是其微米級剛毛/納米級絨毛的高深寬比微納層次結構，是保證壁虎腳毛既產(chǎn)生巨大粘附力又適應不同表面形貌的關鍵。為此本學位論文開展對壁虎腳毛精細分層結構各參數(shù)的優(yōu)化設計。主要工作如下：
　　 建立微尺度接觸的力學模型，解釋了壁虎腳毛

2、粘附機理；為了更接近實際情況，考慮表面粗糙度對粘附力的影響，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；進行接觸全過程的粘附情況仿真，分析并總結了表面粗糙度、預載荷和結構剛度等因素對粘附能力的影響。
　　 分析壁虎腳毛的各種粘附特性，以及環(huán)境適應性要求，提出了強的粘附力、防糾結、防自斷裂、快速脫附、較好的粗糙表面適應性等若干設計準則；采用自下而上的設計思想，建立了相應的力學模型；分析并總結

3、約束模型中各參數(shù)變化對纖維半徑、纖維長度、陣列占空比、陣列對稱性、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，進行多目標多參數(shù)尋優(yōu)求解，得到仿壁虎腳毛粘附結構的層次性幾何特征(分形維數(shù))、陣列幾何特征(陣列密度、陣列對稱性)以及單根接觸幾何特征(接觸半徑、深寬比、傾斜角)等設計參數(shù)。設計結果表明，優(yōu)化設計得到的第一級結構的纖維半徑、長度均在壁虎腳絨毛測量值范圍內(nèi)，第二級結構的纖維半徑、長度也在壁虎腳剛毛測量值范