仿生凸起几何结构对冰摩擦学特性的影响

发布时间：2017-06-03 14:24

  本文关键词：仿生凸起几何结构对冰摩擦学特性的影响，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：冰摩擦学是摩擦学的一个分支，冰摩擦机理十分复杂，影响它的因素众多，“自润滑”理论是被普遍接受用来解释冰摩擦因数如此之小的理论。本研究先通过四种固体材料与冰的摩擦试验来探寻各因素对冰摩擦因数的影响，并探寻冰的摩擦机理；再结合仿生学的知识制备不同高径比（DRH）的仿生凸包试件与冰进行摩擦试验，探寻仿生凸包几何结构对冰摩擦因数的影响。 首先，对四种具有不同传热系数的固体材料（UHMWPE、PTFE、PA-66和GCr15钢）在不同速度（5mm/s和20mm/s）、不同载荷（5N和20N）、不同温度（-5℃和-20℃）的条件下与相同纯度、相同表面粗糙度的冰面进行摩擦试验，采用正交试验优化设计的方法，得出了这四种因素对冰摩擦因数影响的主次顺序为速度、温度、固体材料、载荷，各因素的最优水平20mm/s、-5℃、UHMWPE和20N。并通过对UHMWPE固体材料在恒定载荷（15N）、不同温度（-5℃，-10℃，-15℃，-20℃）和不同速度（5mm/s，10mm/s，15mm/s，20mm/s）下的全面试验结果分析，发现当载荷F越大、材料的传热系数λ越小、初始温度T越高、速度ν越大时，冰面局部区域温度越容易升高至冰的融点温度，更容易产生一层润滑水膜来润滑界面，冰的摩擦因数就越小。通过理论分析与实验研究，得出了冰摩擦过程可以分为3个阶段：干摩擦阶段、水膜生成阶段和流体力学摩擦阶段。 其次，以飞蛤为仿生学习对象，对其体表进行仿生，设计并制备了3种不同高径比（DRH）（α=0.2236，α=0.25，α=0.2887）的UHMWPE仿生凸包试件，每个试件上布置两个凸包。以光滑试件为对比对象，将3种不同高径比（DRH）的仿生试件与冰在恒定载荷F（15N）、不同温度T（-5℃和-15℃）和不同速度ν（5mm/s和20mm/s）的条件下进行全面试验的摩擦试验。结果发现，高径比对冰的摩擦因数具有一定影响，其中，α=0.2236和α=0.25的凸包试件与冰的摩擦因数要小于光滑试件与冰的摩擦因数；而α=0.2887的凸包试件与冰的摩擦因数要明显大光滑试件与冰的摩擦因数。 最后，利用三维模拟分析软件ABAQUS分别对高径比α=0.2236凸包试件和光滑试件与冰的摩擦进行三维建模，在相同载荷F、相同初始温度T0（-5℃）、相同速度ν以及相同时间t（0.015s）内进行了热分析。试验结果表明，凸包试件与冰摩擦时冰面温度升高区域较为狭长且温度由中心区域向四周辐射递减，中心温度为2.179℃；而光滑试件与冰摩擦时冰面温度升高区域较为规则且温度分布均匀，温度为1.205℃。
【关键词】：冰摩擦学 仿生 高径比 UHMWPE ABAQUS
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：Q811;TH117
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 摩擦学的发展过程12-13
• 1.2 库伦定律的局限性13-14
• 1.3 仿生摩擦学14-16
• 1.3.1 仿生学概述14
• 1.3.2 生物表面与仿生摩擦学14-16
• 1.4 冰摩擦学的研究与进展16-17
• 1.5 本研究的主要内容17-20
• 第二章 四种材料与冰的摩擦20-34
• 2.1 试验材料的介绍20-22
• 2.1.1 超高分子聚乙烯20
• 2.1.2 聚四氟乙烯20-21
• 2.1.3 尼龙21
• 2.1.4 GCr15 钢21-22
• 2.2 试验材料的的加工22-24
• 2.2.1 数控机床原理23
• 2.2.2 实验材料的准备23
• 2.2.3 冰的制备23-24
• 2.3 试验设备24-26
• 2.3.1 UMT 微观摩擦学实验机24-25
• 2.3.2 试验原理25-26
• 2.4 试验的步骤流程26-27
• 2.5 软件参数设置27-31
• 2.6 试验方案的确定31-33
• 2.6.1 试验因素31-32
• 2.6.2 试验水平32
• 2.6.3 试验方案32-33
• 2.7 本章小结33-34
• 第三章 摩擦试验的数据分析与处理34-46
• 3.1 优化试验的结果及处理34-36
• 3.2 追加速度与温度的全面试验36
• 3.3 全面试验的结果与分析36-42
• 3.3.1 载荷对冰的摩擦因数的影响36-37
• 3.3.2 固体材料对冰的摩擦因数的影响37-38
• 3.3.3 温度对冰的摩擦因数的影响38-40
• 3.3.4 速度对冰摩擦因数的影响40-42
• 3.4 冰摩擦的机理42-43
• 3.5 本章小结43-46
• 第四章 仿生凸包 UHMWPE 固体件与冰的摩擦46-64
• 4.1 结构仿生理论基础46-47
• 4.1.1 相似理论46
• 4.1.2 进化理论46-47
• 4.1.3 优化理论47
• 4.2 仿生几何结构表面形态参数的选取47-51
• 4.2.1 仿生凸包的参数的选取47-48
• 4.2.2 凸包模具的制备48-51
• 4.3 UHMWPE 加工成型方法的选择51-52
• 4.3.1 自由烧结法51-52
• 4.3.2 烧结-压制法52
• 4.3.3 压制、烧结同时进行法52
• 4.3.4 快速加热压制法52
• 4.4 凸包摩擦试验件的制备52-56
• 4.4.2 模压原理53-54
• 4.4.3 成型工艺54-56
• 4.5 凸包表面固体试件与冰的摩擦试验56-61
• 4.5.1 试验方案的设计56-57
• 4.5.2 试验结果与分析57-61
• 4.6 本章小结61-64
• 第五章 基于 ABAQUS 的有限元模拟分析64-84
• 5.1 ABAQUS 软件介绍及其应用简介64-66
• 5.1.1 ABAQUS 分析模块65-66
• 5.1.2 ABAQUS 求解问题的一般步骤66
• 5.2 ABAQUS 在热分析中的应用66-68
• 5.2.1 热应力分析的基本原理66-68
• 5.3 有限元模型的建立68-79
• 5.3.1 ABAQUS 部件设计与装配69-72
• 5.3.2 模型的网格划分72-75
• 5.3.3 模型分析步设置和定义变量输出75-76
• 5.3.4 定义接触属性76-78
• 5.3.5 定义载荷及边界条件78-79
• 5.4 模型热分析的结果与分析79-82
• 5.5 本章小结82-84
• 第六章 结论与展望84-86
• 6.1 本论文得出的结论84-85
• 6.2 后继工作与展望85-86
• 参考文献86-92
• 导师及作者简介92-102
• 致谢102

【参考文献】

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