本文關(guān)鍵詞：典型貝類殼體生物耦合特性及其仿生耐磨研究　出處：《吉林大學》2013年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：磨損是指相互接觸的物體在相對運動過程中，表層材料不斷損失、轉(zhuǎn)移或產(chǎn)生殘余變形，并最終導致材料破壞或設備失效的現(xiàn)象，其廣泛存在于眾多工程領域。據(jù)統(tǒng)計，約有80%的機械零部件由于磨損而失效，約30-50%的世界一次能源由摩擦磨損所消耗。磨損不僅消耗材料，浪費能源，并直接影響到機械器件的壽命和可靠性。因此，減摩抗磨問題已成為眾多工程領域研究的熱點與難點，越來越得到國內(nèi)外高度重視。大自然為我們提供了優(yōu)異的生物耐磨仿生藍本，這些生物體為適應生存環(huán)境和滿足生存需要，進化出形態(tài)、結(jié)構(gòu)與組成材料等多因素耦合的生物耐磨功能系統(tǒng)，體現(xiàn)出對生存環(huán)境最佳的適應性和協(xié)調(diào)性。本文以具有良好耐磨特性的典型貝類殼體為研究對象，運用耦合仿生理念，從形態(tài)、結(jié)構(gòu)與材料多個角度入手，深入探索其生物耐磨耦合機制，從而為開發(fā)新型仿生耐磨器件提供重要信息，同時為完善耦合仿生理論提供基礎資料。 作為一種典型的天然生物礦化材料，貝殼的構(gòu)成具有令人佩服的特殊的組裝方式，體現(xiàn)出強韌性的最佳匹配。此外，貝殼通常具有多種復雜的體表形貌，表現(xiàn)出良好的耐磨料磨損和抗沖蝕磨損特性。本文以分別營埋棲、底棲匍匐和附著匍匐三種不同生活方式的典型貝類毛蚶（Scapharca subcrenata）、脈紅螺（Rapana venosa）和石鱉（Acanthochiton rubrolineatus）為研究對象，通過多種試驗手段分別對其生物學特性、力學特性和磨損特性進行了系統(tǒng)的研究；并利用ANSYS大型通用有限元軟件，分別對基于毛蚶與石鱉殼體的單元仿生模型及耦合仿生模型的磨料磨損及沖蝕磨損過程進行了三維數(shù)值模擬分析，初步揭示了典型貝類殼體生物耦合耐磨特征機制與規(guī)律。 在生物耦合特征分析中，借助體視顯微鏡、掃描電鏡及X射線衍射儀分別對三種貝殼的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)及組成材料進行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，毛蚶殼體具有復雜的表面形貌，在左殼表面存在放射肋與小結(jié)節(jié)組成的復合結(jié)構(gòu)；且在三種貝殼微觀結(jié)構(gòu)中普遍存在具有應力緩釋效應的交叉疊片結(jié)構(gòu)以及孔狀管道結(jié)構(gòu)。顯微硬度試驗結(jié)果表明，貝殼的顯微硬度與其對應的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，且存在各向異性。毛蚶次表層即棱柱層與脈紅螺珍珠層的交叉疊片結(jié)構(gòu)硬度最高，石鱉珍珠層的復雜交叉條紋結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出相對較高的顯微硬度，說明交叉紋片結(jié)構(gòu)是貝殼抵抗外力破壞的一種有效晶體結(jié)構(gòu)。壓縮試驗結(jié)果表明，貝殼層面方向的承載能力均高于橫斷面的承載能力，且壓縮強度與對應的微觀結(jié)構(gòu)同樣具有相關(guān)性。 在磨損試驗研究中，采用分離耦元試驗法及個別耦元去除法，利用磨料磨損試驗機分別考察了形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料等耦元對毛蚶及脈紅螺殼體磨料磨損性能的影響。通過對磨損試驗結(jié)果進行對比分析，揭示了各耦元對毛蚶殼體耐磨性能的貢獻度，即有機質(zhì)材料為主耦元，棱紋形態(tài)為次主耦元，棱紋與小結(jié)節(jié)組成的復合結(jié)構(gòu)為一般耦元；并分別對其耐磨機理進行了分析。論文同時對毛蚶與脈紅螺殼體磨料磨損的各向異性機理進行了研究。磨料磨損試驗結(jié)果表明，，毛蚶殼體具有最優(yōu)的耐磨料磨損特性；而沖蝕磨損試驗結(jié)果也表明，石鱉體表具有良好的抗沖蝕磨損特性。本文同時對這三種貝類殼體結(jié)構(gòu)與功能的適應性進行了探索性分析。 根據(jù)毛蚶殼體耐磨料磨損生物耦合特性，分別建立了形態(tài)單元仿生模型、形態(tài)-結(jié)構(gòu)與形態(tài)-材料二元耦合仿生模型，并利用ANSYS/CFX專業(yè)流體計算軟件分別對這幾種模型的磨料磨損流場進行了數(shù)值模擬。通過對比分析磨損過程中各模型流體域與固體域的力學性能參數(shù)，對不同模型的耐磨性能進行評估。結(jié)果表明，形態(tài)-結(jié)構(gòu)二元耦合仿生模型相對于形態(tài)單元仿生模型，始終表現(xiàn)出最優(yōu)的耐切削與抗沖擊性能，即棱紋與小結(jié)節(jié)組成的復合結(jié)構(gòu)可以有效降低流體速度，減小流體作用力，削弱磨料粒子對壁面的剪應力，使固體域接觸應力顯著降低，從而使模型表現(xiàn)出良好的耐磨料磨損性能。形態(tài)-材料二元耦合仿生模型由于表面發(fā)生塑性形變而使單向流固耦合模擬結(jié)果可靠性降低，論文進一步對其磨損機理及模型優(yōu)化進行了探討分析。 利用ANSYS/LS-DYNA顯式動力分析軟件，對仿石鱉殼板的構(gòu)形單元仿生模型和構(gòu)形-凹槽形態(tài)及構(gòu)形-凸包形態(tài)二元耦合仿生模型的動態(tài)沖蝕磨損過程進行了三維數(shù)值模擬，對比分析了不同耦元對靶材抗沖蝕性的影響規(guī)律。三種模型在整體水平上抗沖蝕性順序依次為凸包弧形板、凹槽弧形板和光滑弧形板。在弧形板峰部，凹槽的應力分散效應即抗沖蝕性能明顯優(yōu)于凸包；而在翼區(qū)，凸包的抗沖蝕性能顯著優(yōu)于凹槽，說明石鱉殼板在進化過程中優(yōu)化出了最佳的形態(tài)組合，即殼板峰部分布有粗大的縱肋（肋間相對形成凹槽），而翼區(qū)則分布有大量的凸包，從而可以有效抵抗強烈的海砂沖蝕。 通過對三種典型貝類殼體的生物耦合耐磨特性進行研究，進一步證明耦合仿生比單元仿生更接近于生物真實的作用機理，將產(chǎn)生更好的仿生效能。因此，對耦合仿生進行深入研究將加快仿生從形似到神似的進程，具有重要的理論價值與實踐意義。
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【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TH117

【參考文獻】

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本文編號：1347955