發(fā)布時(shí)間：2020-11-21 00:40

　　 兩個(gè)或多個(gè)零件在接觸表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),由于摩擦而形成磨損進(jìn)而造成材料的損失,會(huì)直接導(dǎo)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(jìn)而間接導(dǎo)致能源損失浪費(fèi)、維修成本增加、經(jīng)濟(jì)效益低等。沖蝕磨損屬于磨損領(lǐng)域的一個(gè)重要分支,廣泛存在于風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、浮選機(jī)、鉆柱、篩管、物流輸送管道、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等等多個(gè)領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備上,對(duì)人類的生產(chǎn)、生活造成了極大不便和危害。目前,復(fù)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?zèng)_蝕磨損,但是制造技術(shù)、工藝過程、成本花費(fèi)、綠色發(fā)展等方面并不能達(dá)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(xué)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?fàn)?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(shì),而高度呈現(xiàn)了先減小后增大的波動(dòng)趨勢(shì);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(duì)黑粗尾蝎子背部的背板和節(jié)間膜的力學(xué)性能、截面結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分進(jìn)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(yùn)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(duì)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(jī)物分子組成,節(jié)間膜主要是由蛋白質(zhì)有機(jī)物分子組成。基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(jì)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(duì)模型進(jìn)行試驗(yàn)分析;隨后采用3D打印技術(shù)打印出實(shí)體仿生凸包結(jié)構(gòu)樣件,在噴砂機(jī)上進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn),實(shí)體沖蝕磨損試驗(yàn)結(jié)果和模擬試驗(yàn)結(jié)果保持一致,既表明了試驗(yàn)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(duì)樣件沖蝕磨損性能的影響,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了不同尺寸下的仿生凸包、槽復(fù)合結(jié)構(gòu)樣件,進(jìn)行了實(shí)體樣件的沖蝕磨損試驗(yàn),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(duì)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(yàn)的最優(yōu)樣件和仿生凸包、槽復(fù)合結(jié)構(gòu)沖蝕磨損試驗(yàn)的最優(yōu)樣件,再設(shè)計(jì)一個(gè)空白試驗(yàn)樣件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)仿生樣件抗沖蝕磨損性能要優(yōu)于空白試驗(yàn)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(shì)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(shí)最低,在高速600 r/min、角度90°時(shí)最大。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：Q811
【部分圖文】：

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文氣機(jī)葉片遭受沖蝕磨損，導(dǎo)致其出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形，功率下降，壽命降低，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍受沖蝕的發(fā)動(dòng)機(jī)壽命僅是正常發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的 1/8[15]。戰(zhàn)爭(zhēng)中，俄軍的米-17 直升機(jī)的 TB3-117 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣防護(hù)裝置未能發(fā)揮作用，導(dǎo)致葉片受到嚴(yán)重的沖蝕磨損，出現(xiàn)斷裂故障。固體火箭發(fā)動(dòng)的延伸段內(nèi)壁經(jīng)常受到時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾十秒甚至上百秒，溫度達(dá)到 1500°以蝕破壞。并且據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在過去的 1982-1999 年期間，上百架飛機(jī)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(xué)成分，而是在金屬表面進(jìn)操作來改變材料表面的化學(xué)成分或內(nèi)部的顯微組織，從而性等力學(xué)性能，進(jìn)而使其具有較強(qiáng)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?jī)?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(yàn)?zāi)苁氰T態(tài)的 1.14 倍[50]。Cr12 鋼鑄造時(shí)由于碳化物析出的網(wǎng)會(huì)造成很大的影響，因此，在鑄造、鍛軋后會(huì)進(jìn)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(shí)具有較好的抗沖蝕性能[51]。

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文存在，當(dāng)空氣中有霧水時(shí)，刺的前端便會(huì)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(gè)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(dòng)導(dǎo)致的[52]。國內(nèi)著名學(xué)者江雷院士團(tuán)隊(duì)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(diǎn)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(dǎo)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�；�于蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)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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