半沙漠黑粗尾蝎体表抗冲蚀特性仿生研究

发布时间：2020-11-21 00:40

　　 两个或多个零件在接触表面产生相对运动时,由于摩擦而形成磨损进而造成材料的损失,会直接导致零件的可靠性和使用寿命降低、工作效率低下、零件的耗材增加等,进而间接导致能源损失浪费、维修成本增加、经济效益低等。冲蚀磨损属于磨损领域的一个重要分支,广泛存在于风机、压缩机、浮选机、钻柱、筛管、物流输送管道、涡轮发动机等等多个领域的机械设备上,对人类的生产、生活造成了极大不便和危害。目前,复合材料、表面涂层、表面改性等方法被广泛的应用在材料上以便提高材料的抗冲蚀性能,然而这些方法虽然在一定程度上可以减少冲蚀磨损,但是制造技术、工艺过程、成本花费、绿色发展等方面并不能达到理想的效果。因此,无论是从节约能源角度出发还是从零件的可靠性、生产的工作效率等角度出发,寻找一种更方便和更适应性的抗冲蚀方法迫在眉睫。受仿生学启发,本文以半沙漠蝎——黑粗尾蝎子(Parabuthus transvaalicus)为生物原型。利用多种显微镜分析了黑粗尾蝎子背部形态特征,提取出黑粗尾蝎子背部的典型结构,并获得相关的尺寸参数。经研究发现黑粗尾蝎子七节背板宽度不一,背板表面分布有大小不一、疏密不均的凸包结构,且背板两侧凸包较为密集,中间较为稀疏并形成了三条脊状;连接每节背板之间的节间膜形成了类似V型槽结构,每条V型槽的宽度呈先增大后减小的趋势,而高度呈现了先减小后增大的波动趋势;黑粗尾蝎子背板是具有曲率的弧形结构,且中间部分弧形曲率大,两侧部分弧形曲率小。黑粗尾蝎子抗冲蚀性能与本身材料也密切相关,因此,对黑粗尾蝎子背部的背板和节间膜的力学性能、截面结构、化学成分进行了研究。发现黑粗尾蝎子背板的弹性系数和杨氏模量均比节间膜的弹性系数和杨氏模量小;背板和节间膜的横截面都是分层结构,内表皮最厚,还分布有中空管道和多孔结构,既可以运输营养物质也可以吸收多余的能量,起到应力缓释效应;背板和节间膜截面结构主要区别在于分层厚度。黑粗尾蝎子背板和节间膜不同部位的主要元素为C、N、O,对于少量的金属元素和非金属元素而言,节间膜没有Mg、Fe元素,背板主要是由几丁质等有机物分子组成,节间膜主要是由蛋白质有机物分子组成。基于黑粗尾蝎子背部凸包结构的分布特征,利用相似性原理和功能性原理,设计建立了6种不同的仿生凸包结构抗冲蚀模型,采用ANSYS/FLUENT模拟软件对模型进行试验分析;随后采用3D打印技术打印出实体仿生凸包结构样件,在喷砂机上进行冲蚀磨损试验,实体冲蚀磨损试验结果和模拟试验结果保持一致,既表明了试验的正确性和可靠性,又得到了表面结构分布最优的仿生凸包结构抗冲蚀模型。根据黑粗尾蝎子背部的凸包结构、节间膜形成的不同宽度和高度的V型槽结构,为探究不同结构及尺寸参数对样件冲蚀磨损性能的影响,进一步设计了不同尺寸下的仿生凸包、槽复合结构样件,进行了实体样件的冲蚀磨损试验,得到了影响冲蚀磨损性能的主次因素。为探究不同转速和不同角度对仿生样件冲蚀磨损性能的影响,结合仿生凸包结构冲蚀磨损试验的最优样件和仿生凸包、槽复合结构冲蚀磨损试验的最优样件,再设计一个空白试验样件进行对比试验,发现仿生样件抗冲蚀磨损性能要优于空白试验样件抗冲蚀磨损性能,并且样件在不同转速、不同角度下冲蚀磨损率大致趋势都呈指数形式,除此之外,样件的冲蚀磨损率随转速、角度的增大而增大,即样件在不同转速不同角度下的冲蚀磨损率都是在低速300 r/min、角度30°时最低,在高速600 r/min、角度90°时最大。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q811
【部分图文】：

吉林大学硕士学位论文气机叶片遭受冲蚀磨损，导致其出现了严重的变形，功率下降，寿命降低，海湾战争中，美军受冲蚀的发动机寿命仅是正常发动机寿命的 1/8[15]。战争中，俄军的米-17 直升机的 TB3-117 涡轮发动机的进气防护装置未能发挥作用，导致叶片受到严重的冲蚀磨损，出现断裂故障。固体火箭发动的延伸段内壁经常受到时间长达几十秒甚至上百秒，温度达到 1500°以蚀破坏。并且据不完全统计，在过去的 1982-1999 年期间，上百架飞机就过高速空气流中的固体颗粒的冲蚀侵袭[16]，如图 1.1 所示。

图 1.2 四种不同涂层的抗冲蚀性能和微观结构[46]四种涂层的抗冲蚀性能比较；（b）四种涂层的抗冲蚀性能的关系；（c）四种涂层的微观形貌改性改性是指整体上不改变材料的化学成分，而是在金属表面进操作来改变材料表面的化学成分或内部的显微组织，从而性等力学性能，进而使其具有较强的抗冲蚀性能[48,49]。铜合金白口铸铁经过热处理后，硬度较高，并且其基体内部内部的二次碳化物，可以有效的减缓材料的流失，经过试验能是铸态的 1.14 倍[50]。Cr12 钢铸造时由于碳化物析出的网会造成很大的影响，因此，在铸造、锻轧后会进行不同的热不同的组织结构。研究表明：内部网状碳化物形状、碳化物布的形式与其抗冲蚀性能具有很大的关系，尤其是内部具有碳化物颗粒较少且分布均匀时具有较好的抗冲蚀性能[51]。

吉林大学硕士学位论文存在，当空气中有雾水时，刺的前端便会凝结水滴，然后经过刺中部的沟槽输送到尾部的绒毛处被其快速吸收，这个过程主要是由锥形小刺和宽度渐变的沟槽分别产生的拉普拉斯压梯度和表面能梯度共同驱动导致的[52]。国内著名学者江雷院士团队还发现蜘蛛丝上有特殊的纺锤形结构，在轴节和节点之间具有梯度表面能和不同的拉普拉斯压力梯度，这两种因素共同导致了蜘蛛丝轴节附近的水滴能够不断地凝聚并定向收集。基于蜘蛛丝的结构特点，该团队还设计了人工纤维，使其具有类似蜘蛛丝一样能够定向集水功能[53]。
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本文编号：2892257