仿生非光滑表面在混合润滑状态下的摩擦性能

模仿蚯蚓的非光滑表面形态及其分泌体表液的摩擦行为和作用,利用摩擦试验台对模拟蚯蚓体表形态的凹坑、导角通孔、通孔三种仿生非光滑表面形态进行了滴油混合润滑摩擦试验。试验结果表明,在混合润滑情况下,接近蚯蚓背孔的通孔形仿生非光滑表面结构具有优良的减阻、耐磨效应,并从非光滑形态对润滑状态影响规律及对摩擦界面材料特性影响规律探讨了仿生非光滑形态对摩擦性能的影响机理。     

凹坑型仿生形态环块样件耐磨性能

利用试验优化设计技术,设计了9种环块样件表面凹坑形态的尺寸与分布,采用激光图形雕刻技术,在模型样件的表面加工形成了9种不同的微观凹坑型仿生形态;在相同的试验参数条件下,完成了光滑与凹坑型仿生形态环块样件的摩擦、磨损性能的对比试验;根据试验前后环块样件总体重量的测量结果,计算出了10种环块样件试验前后的磨损量、磨损率,进行了光滑环块样件与凹坑型仿生形态环块样件磨损量与磨损率的对比分析;利用正交试验设计,进行了凹坑型仿生形态环块样件磨损量与磨损率的极差分析。试验证明,在润滑状态下,具有凹坑型仿生形态的环块样件的耐磨性能均高于光滑样件;凹坑直径为100μm,凹坑横向间距为450μm,凹坑纵向间距为350μm时的耐磨效果最佳。     

仿生非光滑表面材料与铝合金制件间的减黏

根据工程仿生学原理,用45#钢和高速钢材料通过激光加工的方式制备出具有网格状结构表面的仿生非光滑试样,并与光滑表面试样在电子万能试验机上进行了脱附对比试验。结果表明,仿生非光滑表面试样的抗黏附性能明显优于光滑表面试样,其与制件间的黏附力比光滑表面降低4.7%~20.9%。观察发现,非光滑单元体的凹坑结构与制件接触界面间形成的空隙降低了试样与制件间的实际接触面积,是使仿生非光滑表面试样具有良好抗黏附性能的主要原因。仿生非光滑结构为提高材料表面的抗黏附性能开辟了一条新途径。     

仿生非光滑表面材料与铝合金制件间的减黏

根据工程仿生学原理,用45^#钢和高速钢材料通过激光加工的方式制备出具有网格状结构表面的仿生非光滑试样,并与光滑表面试样在电子万能试验机上进行了脱附对比试验。结果表明,仿生非光滑表面试样的抗黏附性能明显优于光滑表面试样,其与制件间的黏附力比光滑表面降低4．7％～20．9％。观察发现,非光滑单元体的凹坑结构与制件接触界面间形成的空隙降低了试样与制件间的实际接触面积,是使仿生非光滑表面试样具有良好抗黏附性能的主要原因。仿生非光滑结构为提高材料表面的抗黏附性能开辟了一条新途径。     

仿生非光滑表面对车用柴油机螺旋进气道流通特性的影响

为了使半开式燃烧室柴油机具有较强的进气涡流,将凹坑、凸包、U形沟槽和V形沟槽4种仿生非光滑单元体应用到柴油机螺旋进气道内表面。使用CATIA、Hypermesh和Fluent软件对仿生非光滑表面进气道进行了CFD数值模拟分析。通过对4种非光滑表面以及光滑表面进气道的流量系数和涡流比进行对比分析发现:在流量系数变化程度较小的情况下,仿生非光滑表面进气道可以显著提高涡流强度。     

凹坑形貌对线接触摩擦副耐磨性的影响

在线接触摩擦副中,非光滑结构单元的凹坑、凸包、波纹、鳞片形态等表面凹坑形貌对其耐磨性有一定的影响,其中凹坑的直径、深度对耐磨性的影响十分显著。以圆形凹坑非光滑形貌为例,采用有限元仿真分析的方法,对非光滑表面凹坑不同直径和深度的磨损过程进行了分析,研究了仿生非光滑表面对摩擦副耐磨性影响的程度。研究结果表明:线性摩擦副工作过程中,凹坑间距为1 000 m的条件下,摩擦副表面的等效应力和摩擦力随着圆形凹坑直径的增大而增大,随其深度的增大而呈抛物线增长;且在凹坑直径为100 m、深度为300 m时,矩形块的耐磨性最优。     

仿生非光滑注射器针头注射过程接触有限元模拟

应用接触非线性有限元方法对普通针头及两种分别具有锯齿形和波纹形仿生非光滑表面针头的注射过程进行了数值模拟,求得了软组织在该过程中应力、速度、动能和内能的变化时间历程,直观描述了非光滑表面对针头在注射这一动态过程中的影响。通过三种针头的对比和分析表明,仿生非光滑针头具有减阻和减痛效果,并且具有波纹形非光滑表面的针头效果更加明显,与试验研究结果吻合。     

仿生非光滑旋成体表面减阻特性数值模拟

在前期进行的仿生非光滑旋成体模型低速风洞试验的基础上,将非光滑形态在旋成体模型上的排列方式固定为矩形布置,非光滑的尺寸固定为直径或宽度为1 mm,深度或高度为0.5 mm,在风速为44 m/s时,对布置在模型尾部的凸包形、凹坑形和棱纹形三种非光滑模型与表面光滑模型进行了对比模拟试验。试验结果表明,布置在尾部的非光滑结构能够有效地降低模型的压差阻力,尤其是棱纹状非光滑形态模型,压差阻力降低了25.3%,总阻力降低了11.12%。     

新疆岩蜥三元耦合耐冲蚀磨损特性及其仿生试验

选取新疆岩蜥为典型动物,以形态、结构、材料作为因素设计仿生耦合试样,通过喷砂试验检验耦合试样表面的冲蚀磨损特性。喷砂试验选用粒径为1000μm的Al2O3颗粒为磨料,对LY12硬铝合金与45#钢为基底的仿生耦合试样进行试验。结果表明,在冲蚀时间为180 s,入射角为30°,入射距离为200 mm,空气压力为0.4 MPa条件下,耦合试样耐冲蚀磨损性能较对照试样提高18.7%。耦合试样特征因子最优组合为以LY12硬铝合金为基底材料,非光滑单元形态的形状为圆形凹坑、直径为3 mm,单元间距为6 mm的规则分布,表面涂层(Al2O3+13%TiO2)厚度为100μm。     

激光制备仿生非光滑表面蠕墨铸铁的耐磨性

模仿自然界中典型土壤动物的体表形态,运用激光加工的方法在蠕墨铸铁试样表面雕刻出不同形态、不同分布间距、不同倾斜角度的仿生非光滑单元体,研究了仿生非光滑表面试样的耐磨性,探讨了磨损机制。结果表明:仿生非光滑表面试样的耐磨性均优于未处理试样;非光滑单元体形态、分布间距、倾斜角度对试样的耐磨性均有影响;其中具有网格状非光滑单元体的试样耐磨性最好,条纹状次之,点状最差;单元体分布间距减小时,可进一步提高耐磨性;非光滑单元体倾斜角度为45°时,试样的耐磨性优于0°和90°;磨损机制以黏着磨损为主。     

仿生非光滑用于旋成体减阻的试验研究

基于仿生非光滑表面具有减粘降阻特性的基本思想,通过仿生非光滑表面控制旋成体附壁区的边界层结构来减小旋成体的阻力。利用6因素3水平的正交试验,考察了对旋成体阻力影响较大的6个因素。对具有不同尺寸的凸包、凹坑以及棱纹等形态的非光滑旋成体及光滑旋成体进行了低、亚、超音速风洞试验,并将减阻率作为试验指标。对减阻率的分析表明,三种非光滑表面均能起到减小旋成体阻力的作用,总阻力最大减阻效果为5%左右。用极差法进行正交试验设计分析,得到了影响旋成体阻力因素的主次顺序及最优水平,并探讨了不同仿生表面对旋成体粘性前部阻力(包括表面摩擦阻力及激波阻力等)及底部阻力的不同影响。     

蚯蚓体表与土壤接触界面动态行为仿真

应用离散元软件PFC2D建立了蚯蚓波纹体表与土壤界面动态行为仿真模型,对比分析了光滑和波纹试样的接触界面、接触力场和接触颗粒数以及滑动阻力,得出:当波纹表面的摩擦力与土壤颗粒对波纹凸起处的向后推力之和小于光滑表面的摩擦力时,波纹表面起到减阻作用;如果土壤颗粒对波纹表面凸起处的向后推力过大,波纹会起到增加阻力的作用。另外,试样运动时,波纹表面比光滑表面对土壤的扰动大。随着垂直载荷的增加,波纹表面和光滑表面的滑动阻力均增加,且波纹表面的降阻效果减弱;随着前进速度的增加,2种试样滑动阻力的增加,但波纹表面的滑动阻力的增长小于光滑表面,即速度高时波纹表面降阻明显。结果表明:蚯蚓非光滑表面的减阻能力与接触界面特性和外部条件有关。研究结果可为揭示非光滑表面的减阻机制提供研究方法和参考。     

凹坑型仿生形态环块样件接触问题有限元数值模拟

利用ANSYS建立了环块样件接触的实体模型,将齿轮接触问题进行了等效简化;根据ANSYS接触问题的有限元分析方法与仿生学表面形态优化设计技术,在环块样件的接触面区域形成了九种不同分布的凹坑型仿生表面微观形态,完成了光滑环块样件与九种凹坑型仿生形态环块样件接触问题的三维有限元数值模拟,进行了光滑与凹坑型仿生形态环块样件接触应力的对比分析,得出:仿生形态环块样件接触区域接触应力峰值高于光滑样件,但仿生形态环块样件接触区域的平均接触应力值低于光滑形态。     

鸮翼前缘非光滑形态消声降噪机理

长耳鸮扑翼噪声测量试验表明,其翼前缘圆弧齿状非光滑形态对其飞行降噪影响显著。应用逆向重构技术,对长耳鸮翼前缘非光滑形态特征几何信息进行量化,并建立仿生类比模型。采用计算气动声学方法,对仿生前缘非光滑模型的降噪特性进行了数值模拟,并通过分析仿生非光滑形态对模型表面流场的影响,对仿生非光滑形态气流噪声控制机理进行了研究。结果表明,仿生非光滑模型与光滑模型相比,可降低气流噪声5～10 dB,且具备一定的增升作用;仿生前缘非光滑形态具有整流及控制气流分离的特性,可减少由于翼表面气流压力脉动及涡流脱离引发的气流噪声。     

球在可自由移动的球形空腔内作小振动的周期

对在光滑水平面上可自由移动的球形空腔内作纯滚动的球的运动进行分析,求出球在球形空腔内平衡位置附近做小振动的周期,并和球在可自由移动的球形空腔内做纯滑动的情况作了比较．