發(fā)布時間：2020-11-21 00:40

　　 兩個或多個零件在接觸表面產(chǎn)生相對運動時,由于摩擦而形成磨損進而造成材料的損失,會直接導致零件的可靠性和使用壽命降低、工作效率低下、零件的耗材增加等,進而間接導致能源損失浪費、維修成本增加、經(jīng)濟效益低等。沖蝕磨損屬于磨損領(lǐng)域的一個重要分支,廣泛存在于風機、壓縮機、浮選機、鉆柱、篩管、物流輸送管道、渦輪發(fā)動機等等多個領(lǐng)域的機械設(shè)備上,對人類的生產(chǎn)、生活造成了極大不便和危害。目前,復合材料、表面涂層、表面改性等方法被廣泛的應(yīng)用在材料上以便提高材料的抗沖蝕性能,然而這些方法雖然在一定程度上可以減少沖蝕磨損,但是制造技術(shù)、工藝過程、成本花費、綠色發(fā)展等方面并不能達到理想的效果。因此,無論是從節(jié)約能源角度出發(fā)還是從零件的可靠性、生產(chǎn)的工作效率等角度出發(fā),尋找一種更方便和更適應(yīng)性的抗沖蝕方法迫在眉睫。受仿生學啟發(fā),本文以半沙漠蝎——黑粗尾蝎子(Parabuthus transvaalicus)為生物原型。利用多種顯微鏡分析了黑粗尾蝎子背部形態(tài)特征,提取出黑粗尾蝎子背部的典型結(jié)構(gòu),并獲得相關(guān)的尺寸參數(shù)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)黑粗尾蝎子七節(jié)背板寬度不一,背板表面分布有大小不一、疏密不均的凸包結(jié)構(gòu),且背板兩側(cè)凸包較為密集,中間較為稀疏并形成了三條脊狀;連接每節(jié)背板之間的節(jié)間膜形成了類似V型槽結(jié)構(gòu),每條V型槽的寬度呈先增大后減小的趨勢,而高度呈現(xiàn)了先減小后增大的波動趨勢;黑粗尾蝎子背板是具有曲率的弧形結(jié)構(gòu),且中間部分弧形曲率大,兩側(cè)部分弧形曲率小。黑粗尾蝎子抗沖蝕性能與本身材料也密切相關(guān),因此,對黑粗尾蝎子背部的背板和節(jié)間膜的力學性能、截面結(jié)構(gòu)、化學成分進行了研究。發(fā)現(xiàn)黑粗尾蝎子背板的彈性系數(shù)和楊氏模量均比節(jié)間膜的彈性系數(shù)和楊氏模量小;背板和節(jié)間膜的橫截面都是分層結(jié)構(gòu),內(nèi)表皮最厚,還分布有中空管道和多孔結(jié)構(gòu),既可以運輸營養(yǎng)物質(zhì)也可以吸收多余的能量,起到應(yīng)力緩釋效應(yīng);背板和節(jié)間膜截面結(jié)構(gòu)主要區(qū)別在于分層厚度。黑粗尾蝎子背板和節(jié)間膜不同部位的主要元素為C、N、O,對于少量的金屬元素和非金屬元素而言,節(jié)間膜沒有Mg、Fe元素,背板主要是由幾丁質(zhì)等有機物分子組成,節(jié)間膜主要是由蛋白質(zhì)有機物分子組成�；�于黑粗尾蝎子背部凸包結(jié)構(gòu)的分布特征,利用相似性原理和功能性原理,設(shè)計建立了6種不同的仿生凸包結(jié)構(gòu)抗沖蝕模型,采用ANSYS/FLUENT模擬軟件對模型進行試驗分析;隨后采用3D打印技術(shù)打印出實體仿生凸包結(jié)構(gòu)樣件,在噴砂機上進行沖蝕磨損試驗,實體沖蝕磨損試驗結(jié)果和模擬試驗結(jié)果保持一致,既表明了試驗的正確性和可靠性,又得到了表面結(jié)構(gòu)分布最優(yōu)的仿生凸包結(jié)構(gòu)抗沖蝕模型。根據(jù)黑粗尾蝎子背部的凸包結(jié)構(gòu)、節(jié)間膜形成的不同寬度和高度的V型槽結(jié)構(gòu),為探究不同結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)對樣件沖蝕磨損性能的影響,進一步設(shè)計了不同尺寸下的仿生凸包、槽復合結(jié)構(gòu)樣件,進行了實體樣件的沖蝕磨損試驗,得到了影響沖蝕磨損性能的主次因素。為探究不同轉(zhuǎn)速和不同角度對仿生樣件沖蝕磨損性能的影響,結(jié)合仿生凸包結(jié)構(gòu)沖蝕磨損試驗的最優(yōu)樣件和仿生凸包、槽復合結(jié)構(gòu)沖蝕磨損試驗的最優(yōu)樣件,再設(shè)計一個空白試驗樣件進行對比試驗,發(fā)現(xiàn)仿生樣件抗沖蝕磨損性能要優(yōu)于空白試驗樣件抗沖蝕磨損性能,并且樣件在不同轉(zhuǎn)速、不同角度下沖蝕磨損率大致趨勢都呈指數(shù)形式,除此之外,樣件的沖蝕磨損率隨轉(zhuǎn)速、角度的增大而增大,即樣件在不同轉(zhuǎn)速不同角度下的沖蝕磨損率都是在低速300 r/min、角度30°時最低,在高速600 r/min、角度90°時最大。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：Q811
【部分圖文】：

吉林大學碩士學位論文氣機葉片遭受沖蝕磨損，導致其出現(xiàn)了嚴重的變形，功率下降，壽命降低，海灣戰(zhàn)爭中，美軍受沖蝕的發(fā)動機壽命僅是正常發(fā)動機壽命的 1/8[15]。戰(zhàn)爭中，俄軍的米-17 直升機的 TB3-117 渦輪發(fā)動機的進氣防護裝置未能發(fā)揮作用，導致葉片受到嚴重的沖蝕磨損，出現(xiàn)斷裂故障。固體火箭發(fā)動的延伸段內(nèi)壁經(jīng)常受到時間長達幾十秒甚至上百秒，溫度達到 1500°以蝕破壞。并且據(jù)不完全統(tǒng)計，在過去的 1982-1999 年期間，上百架飛機就過高速空氣流中的固體顆粒的沖蝕侵襲[16]，如圖 1.1 所示。

圖 1.2 四種不同涂層的抗沖蝕性能和微觀結(jié)構(gòu)[46]四種涂層的抗沖蝕性能比較；（b）四種涂層的抗沖蝕性能的關(guān)系；（c）四種涂層的微觀形貌改性改性是指整體上不改變材料的化學成分，而是在金屬表面進操作來改變材料表面的化學成分或內(nèi)部的顯微組織，從而性等力學性能，進而使其具有較強的抗沖蝕性能[48,49]。銅合金白口鑄鐵經(jīng)過熱處理后，硬度較高，并且其基體內(nèi)部內(nèi)部的二次碳化物，可以有效的減緩材料的流失，經(jīng)過試驗?zāi)苁氰T態(tài)的 1.14 倍[50]。Cr12 鋼鑄造時由于碳化物析出的網(wǎng)會造成很大的影響，因此，在鑄造、鍛軋后會進行不同的熱不同的組織結(jié)構(gòu)。研究表明：內(nèi)部網(wǎng)狀碳化物形狀、碳化物布的形式與其抗沖蝕性能具有很大的關(guān)系，尤其是內(nèi)部具有碳化物顆粒較少且分布均勻時具有較好的抗沖蝕性能[51]。

吉林大學碩士學位論文存在，當空氣中有霧水時，刺的前端便會凝結(jié)水滴，然后經(jīng)過刺中部的溝槽輸送到尾部的絨毛處被其快速吸收，這個過程主要是由錐形小刺和寬度漸變的溝槽分別產(chǎn)生的拉普拉斯壓梯度和表面能梯度共同驅(qū)動導致的[52]。國內(nèi)著名學者江雷院士團隊還發(fā)現(xiàn)蜘蛛絲上有特殊的紡錘形結(jié)構(gòu)，在軸節(jié)和節(jié)點之間具有梯度表面能和不同的拉普拉斯壓力梯度，這兩種因素共同導致了蜘蛛絲軸節(jié)附近的水滴能夠不斷地凝聚并定向收集。基于蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)特點，該團隊還設(shè)計了人工纖維，使其具有類似蜘蛛絲一樣能夠定向集水功能[53]。
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本文編號：2892257