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Arid
半沙漠黑粗尾蝎体表抗冲蚀特性仿生研究
陈文娜
出版年2019
学位类型硕士
导师张俊秋
学位授予单位吉林大学
中文摘要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。
中文关键词半沙漠蝎子 ; 体表结构特征 ; 冲蚀磨损 ; ANSYS/FLUENT ; 数值模拟 ; 仿生制造
语种中文
国家中国
URLhttp://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?FileName=1019160563.nh&DbName=CMFDTEMP
来源机构吉林大学
资源类型学位论文
条目标识符http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/258015
推荐引用方式
GB/T 7714		 陈文娜. 半沙漠黑粗尾蝎体表抗冲蚀特性仿生研究[D]. 吉林大学,2019.
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