仿生学教学ppt课件 .ppt

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1、向自然学习 热爱自然、保护自然、自然和谐相处，热爱自然、保护自然、自然和谐相处，我们就会从自然中获得智慧和灵感我们就会从自然中获得智慧和灵感仿生设计仿生设计仿生学仿生学在在20世纪世纪60年代，年代，1960年年9月月13日，在美国日，在美国召开的第一届仿生学研讨会上，斯蒂尔博士召开的第一届仿生学研讨会上，斯蒂尔博士首次提出了仿生学首次提出了仿生学(Bionics)的概念，并定义的概念，并定义仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物统，或者使人造技术系统具有或类似于生物系统特征的科学，简而言之，仿生学就是系统特征的科学，

2、简而言之，仿生学就是“模仿生物的科学模仿生物的科学”。性质性质仿生学是生物学、数学和工程技术学仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一门模仿生物系相互渗透而结合成的一门模仿生物系统并具有生物系统特征或类似特征的统并具有生物系统特征或类似特征的新兴边缘科学。新兴边缘科学。仿生学的研究主要包括三个阶段首先是根据工程技术的目标、任务进行生物首先是根据工程技术的目标、任务进行生物相关性的基础研究或者以生物学的发现与研相关性的基础研究或者以生物学的发现与研究成果为启示和基础筛选出对其他科学技术究成果为启示和基础筛选出对其他科学技术有意义有价值的内存；有意义有价值的内存；然后对基础研究的成果进

3、行分析、综合，并然后对基础研究的成果进行分析、综合，并提炼、概括出相关理论和概念，揭示内在规提炼、概括出相关理论和概念，揭示内在规律，建立数学模型；律，建立数学模型；最后在前两个阶段的基础上进入具体模拟研最后在前两个阶段的基础上进入具体模拟研究、试验制造的应用研究阶段，最终创造出究、试验制造的应用研究阶段，最终创造出人工化的成果。人工化的成果。方法方法复制不是仿生学的研究目的，对生物系统工作原理的本质认识、理解和应用是最终目标。在这个过程中发散性地进行类比、类比、模拟和模型化模拟和模型化是仿生学研究的主要方法，数学模型是从生物原型到应用模型的关键。但是对复杂生物系统的认识往往是一个长期的研究过

4、程，并依赖于先进科学技术的支持，需要多学科的交叉、合作，所以仿生学的研究是一个系统工程，存在相当大的难度。仿生学研究的分支力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息和控制仿生等电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生、人体的仿生、宇宙仿生等形态仿生、形式美感仿生、功能仿生、结构仿生、机理仿生、色彩仿生、意象仿生仿生设计仿生设计学与旧有的仿生学成果应用不同，它是以自然界万事万物的“形”、“色”、“音”、“功能”、“结构”等为研究对象，有选择地在设计过程中应用这些特征原理进行的设计，同时结合仿生学的研究成果，为设计提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途径。仿生设计学作为人类社会生产活动与自然界的锲合点，使

5、人类社会与自然达到了高度的统一，正逐渐成为设计发展过程中新的亮点。众所周知的例子蝙蝠与声纳定位鸟与飞机船与鱼对萤火虫和海蝇地发光原理的研究，获得了化学能转化为光能的新方法，从而研制出化学荧光灯等等。肌理与质感仿生（以纺织仿生为例）亚马逊河流域的闪峡蝶因其翅膀的外壳和基部翅瓣中特有的周期性多层结构，使周身散发钻蓝的色彩，具有金属般的光泽。受此启发日本帝人公司开发了光显色纤维。在研究天然蚕丝结构和性能后，成功开发了异形纤维和超细纤维等仿真丝纤维和纺织品。肉色袜我们的服装与仿生还有哪些关系？孔雀裙、燕尾服、荷叶领、灯笼裤变色龙与迷彩服2008年奥运会上的高科技泳衣美国华盛顿大学的研究人员正在试图揭示

6、蜘蛛吐出的水溶性蛋白质是如何变成不溶的、强度比防弹背心还要坚韧的丝的奥秘。科学家们已开始运用仿生学理论研制人造蜘蛛丝。功能仿生水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。可恶的苍蝇给我们的启示？免疫力（活蝇蛆可接种于伤口之中，起杀菌清创，促进愈合之作用。）平衡能力（飞行器的平衡）嗅觉（传感器、捕蝇器）棘毛的作用（减粘）超强的生殖能力（苍蝇具有一次交配可终身产卵的生理特点，一只雌蝇一生可产卵5-6次，每次产卵数约100-150粒，最多可达300粒左右。一年内可繁殖10-12代。每只雌蝇能产生2000个后代，则100

7、只雌蝇只需经过10个世代，繁殖的总蝇数将达到2万亿亿个）由乌龟想到的？生命力强静寿命（生命在于运动？）坚硬的外壳（坦克）中国人对乌龟的特殊意象？忍辱负重？高寿？忍垢偷生？电子蛙眼青蛙的眼睛很奇怪，他们看活动的东西很敏锐，对静止的东西视而不见。人们从中得到启示，发明了电子蛙眼。保鲜膜结构仿生例如：食蝇草与发卡结构仿生白蚁冢与建筑仿生白蚁冢具有良好的通风、保温、保湿功能锯齿草与锯（鲁班）瑞士猎人乔治从苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。形态仿生天鹅形的观光船仙鹤音响剪子综合仿生仿人机器人肌肉和骨骼现代假肢飞机的诞生1870年，德国人奥托.利连塔尔制造了第一架滑翔机。利连塔尔是十九世纪末的一位具有大无

8、畏冒险精神的人，他望着家乡波美拉尼亚的鹳用笨拙的翅膀从他房顶上飞过，他坚信人能飞行。1891年，他开始研制一种弧形肋状蝙蝠翅膀式的单翼滑翔机，自己还进行试飞；此后五年，他进行了2000多次滑翔飞行，并同鸟类进行了对比研究，提供了很有价值的资料。莱特兄弟发明了真正意义上的飞机。在飞机的设计制作过程中，怎样使飞机拐弯和怎样使它稳定一直困绕着他们。为此，莱特兄弟又研究了鸟的飞行。例如，他们研究鶙鵳怎样使一只翅膀下落，靠转动这只下落的翅膀保持平衡；这只翅膀上增大的压力怎样使鶙鵳保持稳定和平衡。未来的飞机是个什么样？太阳能袖珍房顶是飞机场翅膀收缩调整可以振翅可以俯冲空中停止如今飞机的平衡锤仿生了苍蝇的平

9、衡棒汽车与仿生（案例之二）形态仿生汽车的功能仿生螃蟹壳轻而强一种内部高压造型技术由此诞生。将金属管置于模具中，高压状态下将液压液体或气体注入金属管两端，使金属在2400巴的高压下形成模具的形状。这一技术保证了零件精准的尺寸和形状，在充分利用空间、赢得更多轴力度和硬度的同时减轻了重量。汽车的骨架在自然界，发泡材料出色的能量吸收性能发挥最突出的例子是猫头鹰和大象的头部，虽然象头只有几公斤，却能轻松移动几百公斤的重量。仿制轻骨架组织发泡金属进一步研究发现，泡孔组织结构的零部件强度/密度比极佳。如果向铝模具内充气或把将要发生化学反应的小颗粒注入铝模具，形成发泡铝的多孔组织，就能充分吸收能量，缓冲和降噪

10、。小阻力的外形宝马H2R氢燃料汽车外型和设计的灵感来自海豚、企鹅的低阻身材。圆鼓的前脸、收起的尾部，极小的正锋面，成就了其0.21的阻力系数。同样，尺寸庞大的宝马7系得益于其流线造型，阻力系数也仅为0.29。仿生机器人（案例三）工业机器人焊接机器人机器人本体某种机械手的运动简图并联机器人未来机器人的构想机器人是仿生的结果，它的发展一刻也离不开仿生学习能力、决策能力、感觉能力仿生设计学的研究方法仿生设计学的研究方法 仿生设计学的研究方法主要为“模型分析法”：1、创造生物模型和技术模型从功能出发、研究生物体结构形态制造生物模型。从结构形态出发，达到抽象功能制造技术模型仿生设计学的研究方法仿生设计学

11、的研究方法2、可行性分析与研究功能性分析找到研究对象的生物原理，通过对生物的感知，形成对生物体的感性认识。从功能出发，对照生物原型进行定性的分析。外部形态分析对生物体的外部形态分析，可以是抽象的，也可以是具象的。在此过程中重点考虑的是人机工学、寓意、材料与加工工艺等方面的问题。仿生设计学的研究方法仿生设计学的研究方法色彩分析进行色彩的分析同时，亦要对生物的生活环境进行分析，要研究为什么是这种色彩？在这一环境下这种色彩有什么功能？内部结构分析研究生物的结构形态，在感性认识的基础上，除去无关因素，并加以简化，通过分析，找出其在设计中值得借鉴合利用的地方。运动规律分析利用现有的高科技手段，对生物体的

12、运动规律进行研究，找出其运动的原理，针对性的解决设计工程中的问题。仿生设计的基本程式有些仿生设计是从生物概念开始到产品概念，有些仿生设计是从产品概念开始到生物概念，但都遵循如下基本程式：(1)确定仿生设计概念根据产品设计目标与产品概念的需求，明确描述仿生的思维方式和内容方向。具体来说，是对与产品构成要素相对应的自然生物形态、功能、结构、美感、意象等特征的方向性确定与描述，并与产品概念融合形成目标产品的仿生设计概念，然后在自然生物系统中寻求搜索与仿生概念相关的仿生目标对象，通过观察、认知、研究来筛选并确定对仿生设计有启迪意义的内容。(2)仿生设计发想所谓发想是设计活动中寻求“金钥匙”的过程，是利

13、用一定的思考技术来帮助设计师发倔解决问题的方案。仿生设计的发想在仿生设计概念的指导下，凭借设计师感性和直观的思考，以及在对具体仿生目标对象进行进一步的认识与归纳的基础上进行设计创新的探索与尝试，然后再用理性和推理的思考方式来验证这种感性和直观认识的价值并进行修正。(3)仿生设计提案在完成前期设计发想的各种意向性草案以后，必须以产品构成要素为核心，综合产品设计的相关因素，先进行一次或多次的分析、评价，而后筛选出有发展可能与价值的草图，经过探讨和修正而得到比较符合产品概念和设计目标需要的若干较为详细、完善的仿生设计方案。最后对设计方案进行预想效果的表现。作业畅想未来的社会计算机、飞机、机器人、交通

14、、家居、医疗、工厂、农业、娱乐环境质量评价与系统分析环境质量评价与系统分析大气环境质量评价及影响预测5.1大气层和大气污染5.2大气边界层的温度场5.3湍流扩散的基本理论5.4烟气抬升与地面最大浓度计算5.5点源特殊扩散模式5.6非点源扩散模式5.7大气湍流扩散参数的计算和测量5.8大气环境影响评价及预测5.1大气层和大气污染1低层大气的组成低层大气的组成2.描述大气的物理量描述大气的物理量包围地球的整个大气圈的总体为大气，大气在地表的密度在标准状态下每升重1.293克，愈向上愈稀薄。组成：干洁空气、水汽、污染物气温、气湿、气压（大气压力的单位有毫米汞柱(mmHg)、标准大气压(atm)、巴(

15、bar)、毫巴(mbar)、帕(Pa（N/m2）)；）1atm=76mmHg=101325Pa=101325mbar风力计算风速廓线大气的结构和组成对流层平流层中间层外逸层臭氧热成层大气层的结构和组成大气属于混气合气体，氮、氧、氩合占总体积的.，余为氖、氦、氨、氙、氢等微气量气体。自千米向上原子氧逐渐增加，直到主要是原子氧的层，再向上为原子氦层（高千米）和气原子氢层（千米以上）。臭氧主要分布在千米之间的气层气内，特别集中在千米范围内大气按温度高度的变化，可分为对流层、平流层、中层、热层及外逸层。1 1对流层；对流层；对流层是指由下垫面算起，到平均高度为12km的一层大气。对流层的上界高度是随纬

16、度和季节而变化的，在热带平均为1718km，温带平均为10一12km，高纬度和两极地区为89km夏季对流层上界高度大于冬季的。对流层具有下述四个主要特点。(1)气温随高度的增加而降低，由下垫面至高空每高差109m气温约平均降低0.65。1 1对流层；对流层；(2)对流层内有强烈的对流运动。这主要是由于下垫面受热不均匀及下垫面物性不同所产生的。一般是低纬度的对流运动较强，高纬度地区的对流运动较弱。由于对流运动的存在，使高低层之间发生空气质量交换及热量交换，大气趋于均匀。(3)对流层的空气密度最大，虽然该层很薄，但却集中了全部大气质量的3/4并且几乎集中了大气中的全部水汽；云、雾、雨、雪等大气现象

17、都发生在这层。(4)气象要素水平分布不均匀，特别是冷、暖气团的过渡带，即所谓锋区。在这里往往有复杂的天气现象发生，如寒潮、梅雨、暴雨、大风、冰雹等。2平流层从对流层顶到离下垫面55km高度的一层称为平流层。从对流层顶到30-35km这一层，气温几乎不随高度而变化，故有同同温温层层之称。从这以上到平流层顶，气温随高度升高而上升，形成逆温层，故有暖层之称。由于平流层基本是逆温层，故没有强烈的对流运动；空气垂直混合微弱，气流平稳。水汽、尘埃都很少，很少有云出现，大气透明度良好。对流层和平流层交界处的过渡层称为对流层顶。它约数百米到2km厚；最大可达45km厚。对流层顶的气温在铅直方向的分布呈等温或逆

18、温型。因此，它的气温直减率与对流层的相比发生了突变，往往利用这一点作为确定对流层顶高度的一种依据。3中间层从下垫面算起的5585km高度的一层称为中间层。气温随高度的增高而降低，大约高度每增高1km气温降：低1；空气有强烈的对流运动，垂直混合明显；故有高空对流层之称。4热成层 5散逸层从下垫面算起85800km左右高度的一层称为热成层或热层。气温随高度增高而迅速增高，在300km高度上，气温可达1000以上。该层空气在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下，处在高度的电离状态，故有电离层之称。电离层具有反射无线电波的能力。因此它在无线电通讯上有重要意义。热成层顶以上的大气层，统称为散逸层。该层气温极

19、高，空气稀薄，大气粒子运动速度很高，常可以摆脱地球引力而散逸到太空中去，故称散逸层。5.2大气边界层的温度场5.2.1气温的垂直分布1.气温层结气温层结气温沿铅直高度的变化，称气温层结或层结。气温随高度变化快慢这一特征可用气温垂直递减率来表示。气温垂直递减率的数学定义式为,-dT/dz；它系指单位(通常取100m)高差气温变化速率的负值。如果气温随高度增高而降低，为正值，如果气温随高度增高而增高，为负值。大气中的气温层结有四种典型情况，气温随高度的增加而递减，0，称为正常分布层结，或递减层结；气温随高度的增加而增加，0，气块加速运动，大气不稳定；当-d0，气块减速运动，大气稳定；当-d=0，大

20、气为中性。因此，大气静力稳定度可以用温度直减率与干绝热直减率之差来判断，即-d大于、小于和等于零为大气静力稳定度的判据。对于和d的物理意义应具有较确切认识，d是以质量衡定的一块空气团为对象在干绝热条件下沿垂直上升而导出的气温垂直递减率，是一个由气态方程给定的确定值。则是气温的环境层结,是在太阳、地球的热量幅射和其他气象因素作用下形成的实际环境状况。5.2.3逆温图5-4 由于太阳辐射引起逆温的生消过程。5.3湍流扩散的基本理论5.3.1湍流的基本概念描述湍流运动有两种方法，一种是欧拉法，它在空间划出一个控制体为对象，考察流体流经它的情形，欧拉法注重于特定时刻整个流场及某定点不同时刻的流体运动性

21、质。另一种是拉格朗日法，它在流体运动时，追随研究一个典型的流体单元。5.3.2湍流扩散理论湍流扩散理论有三种：梯度输送理论，统计扩散理论和相似扩散理论。5.3.3点源扩散的高斯模式坐标系坐标系高斯模式的四点假设高斯模式的四点假设高斯模式的四点假设为：(1)污染物在空间yoz平面中按高斯分布(正态分布)，在x方向只考虑迁移，不考虑扩散；(2)在整个空间中风速是均匀、稳定的，风速大于lms；(3)源强是连续均匀的；(4)在扩散过程中污染物质量是守衡的。无限空间连续点源的高斯模式无限空间连续点源的高斯模式高斯模式的坐标系和基本假设图示高架连续点源的高斯模式高架连续点源的高斯模式HHsHslPC(x,

22、y,z)像源H高斯模式的浓度扩散公式汇总地面源（H=0）高架源（H0）地面轴线上点C(x,0,0)地面点C(x,y,0)半无界(任一点)C(x,y,z)无界(任一点)C(x,y,z)5.4烟气抬升与地面最大浓度计算5.4.1烟气抬升高度公式烟流抬升高度的确定是计算有效源高的关键。热烟流从烟囱出口喷出多大体经过四个阶段：烟流的喷出阶段、浮升阶段、瓦解阶段和变平阶段。产生烟流抬升的原因有两个:一是烟囱出口处的烟流具有一定的初始动量，二是由于烟流温度高于周围空气温度而产生的净浮力。影响这两种作用的因素很多，归结起来可分为排放因素和气象因素两类。排放因素有烟囱出口的烟流速度、烟气温度和烟囱出口内径。气

23、象因素有平均风速、环境空气温度、风速垂直切变、湍流强度及大气稳定度。1.烟气的热释放率烟气的热释放率选用抬升公式时首先需要考虑烟气的排放因素，计算出烟气的热释放率。烟气的热释放率是指单位时间内向环境释放的热量，即：这里T是烟气温度与环境温度的差值,QN 是烟气折合成标准状态时的体积流量（NM3/s）CP 是标准状态下的定压热容(=1.298KJ/度.NM3)。当烟气以实际出口温度TsK时的排烟流量Qvm3/s表示时，热释放率的计算公式为：2.霍兰德霍兰德(Holland)公式公式3.布里吉斯（布里吉斯（Briggs）公式）公式x10Hs5.4.2我国烟气抬升高度的计算方法排放因素气象因素Qhk

24、J/sTK（1.5m/s）（1.5m/s）（0Hsh10002.108810.000212500B0.914370.281846010000.9410150.1271905000.8650140.39635310001.093560.057025500BC0.9193250.2295010000.9410150.11468205000.8750860.31423810001.00770.075718500C0.9242790.177154010000.9175950.1068030.8851570.2321231000CD0.9268490.14394010000.8386280.126152

25、020000.886940.18939610000.756410.2356672000100000.8155750.13665910000D0.9294810.110726010000.8262120.104634110000.6320230.4001671000100000.8887230.14666910000.555360.81076310000DE0.9251180.098563101000o.7768640.104634020000.8927940.12430810000.5723470.4001672000100000.4991491.038110000E0.9208180.086

26、001010000.788370.092753010000.8968640.12430810000.5651880.4333841000100000.4147431.7324110000F0.9294810.0553634010000.78440.062077010000.5259690.3700151000100000.8887230.07334810000.3226592.40691100005.8大气环境影响评价及预测5.8.1大气环境影响评价通过建设项目大气环境影响评价，查清建设项目周围大气环境质量现状，预测建设项目建成后可能对周围大气环境产生的影响，并作出评价。大气环境影响评价是对建

27、设项目的大气环境可行性的论证。它是大气污染防治设计的依据之一，是环境管理的依据。根据评价项目的主要污染物排放量、周围地形的复杂程度以及当地执行的大气环境质量标准等因素,将大气环境影响评价工作划分为一、二、三级。大气环境影响评价的技术工作程序如图。5.8.2大气环境影响算例图5-12 大气环境影响评价技术工作程序图污染气象及大气扩散规律建设项目初步工程分析和环境概况调查划分评价级别确定评价范围编制大气环境评价大纲（方案）工程分析：重点是污染调查、污染因子筛选环境状况调查大气环境评价标准或环境目标值确定评价区污染源社会自然城镇社会结构地 理、地形、气 候等大 气 环境 质 量现状工业民用土地利用环

28、境敏感区发展规划常规气象资料、经验数据的收集、统计和分析大 气 边界 层 平均 场 观测湍流扩散参数测量室内模拟试验大气扩散模式选择、计算参数确定大气质量影响预测大气环境影响评价环境对策建议结论结束例例5-7某地(P=100kPa)两工厂烟囱在城市的位置以平面坐标表示A(15,15)、B(150,150)（以m计），高度分别为100m和80m,SO2排放量分别为180g/s和130g/s；TSP排放量分别为340g/s和300g/s；烟气温度均为100,当地平均气温冬季为-10,春秋季节为15；其烟气流量分别为135M3/s和124M3/s。1.分别求两污染源在风速与 X 方向平行，C稳定度和

29、相应情况的热排放率Qh,危险风速,地面绝对最大浓度值及发生部位（以平面坐标表示）。2.若在接受点C(110,950)，风向平行X，地面风速2.5m/s,C稳定度，考虑叠加效果。3.若在接受点C(110,950)，地面风速0.8m/s,其他条件同上，考虑叠加效果。YXA(15,15)B(150,150)C(110,950)图图5-13工厂和测点位置的平面坐标解：解：（1）求解地面绝对最大浓度；由5-35式计算污染源热释放率，如A源冬季有抬升公式5-40式：由表5-4no=0.292，n1=3/5，n2=2/5；对照公式5-40式在危险风速条件下，有H=Hs；求得危险风速由5-51式，地面最大浓度

30、处查表5-10代入5-46,，解出xm,并计算表表5-12地面绝对最大浓度的计算用表大气环境质量评价及影响预测学习要点1.大气污染与污染源和扩散环境有关。主要污染物有粉尘、可吸入颗粒物、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等。大气污染源排放方式有点源、线源和面源三种。2.了解有关大气层的基本物理量、基本结构及大气污染成因。3.了解大气边界层中的温度场、风场及湍流特征；掌握气温层结、干绝热直减率、位温、逆温的概念，认识气温层结与大气稳定度的关系。4.高斯模式是求解点源大气污染物扩散的主要计算方法，掌握各种不同条件下高斯模式的应用公式；掌握烟气抬升高度与地面最大浓度的计算公式，及在环境评价中的应用方法。5.学习利用常规气象资料确定大气稳定度的分级方法，在此基础上获得大气湍流扩散参数（x，y，z），并在环境评价中应用。6.认识点源、线源、面源，以及特殊气象条件下大气污染物扩散模式的处理方法。7.了解大气环境影响评价技术工作程序，练习用Excel模板进行大气环境影响计算。难点重点重点