本文關(guān)鍵詞：仿生凸起幾何結(jié)構(gòu)對冰摩擦學特性的影響，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：冰摩擦學是摩擦學的一個分支，冰摩擦機理十分復雜，影響它的因素眾多，“自潤滑”理論是被普遍接受用來解釋冰摩擦因數(shù)如此之小的理論。本研究先通過四種固體材料與冰的摩擦試驗來探尋各因素對冰摩擦因數(shù)的影響，并探尋冰的摩擦機理；再結(jié)合仿生學的知識制備不同高徑比（DRH）的仿生凸包試件與冰進行摩擦試驗，探尋仿生凸包幾何結(jié)構(gòu)對冰摩擦因數(shù)的影響。 首先，對四種具有不同傳熱系數(shù)的固體材料（UHMWPE、PTFE、PA-66和GCr15鋼）在不同速度（5mm/s和20mm/s）、不同載荷（5N和20N）、不同溫度（-5℃和-20℃）的條件下與相同純度、相同表面粗糙度的冰面進行摩擦試驗，采用正交試驗優(yōu)化設(shè)計的方法，得出了這四種因素對冰摩擦因數(shù)影響的主次順序為速度、溫度、固體材料、載荷，各因素的最優(yōu)水平20mm/s、-5℃、UHMWPE和20N。并通過對UHMWPE固體材料在恒定載荷（15N）、不同溫度（-5℃，-10℃，-15℃，-20℃）和不同速度（5mm/s，10mm/s，15mm/s，20mm/s）下的全面試驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)當載荷F越大、材料的傳熱系數(shù)λ越小、初始溫度T越高、速度ν越大時，冰面局部區(qū)域溫度越容易升高至冰的融點溫度，更容易產(chǎn)生一層潤滑水膜來潤滑界面，冰的摩擦因數(shù)就越小。通過理論分析與實驗研究，得出了冰摩擦過程可以分為3個階段：干摩擦階段、水膜生成階段和流體力學摩擦階段。 其次，以飛蛤為仿生學習對象，對其體表進行仿生，設(shè)計并制備了3種不同高徑比（DRH）（α=0.2236，α=0.25，α=0.2887）的UHMWPE仿生凸包試件，每個試件上布置兩個凸包。以光滑試件為對比對象，將3種不同高徑比（DRH）的仿生試件與冰在恒定載荷F（15N）、不同溫度T（-5℃和-15℃）和不同速度ν（5mm/s和20mm/s）的條件下進行全面試驗的摩擦試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高徑比對冰的摩擦因數(shù)具有一定影響，其中，α=0.2236和α=0.25的凸包試件與冰的摩擦因數(shù)要小于光滑試件與冰的摩擦因數(shù)；而α=0.2887的凸包試件與冰的摩擦因數(shù)要明顯大光滑試件與冰的摩擦因數(shù)。 最后，利用三維模擬分析軟件ABAQUS分別對高徑比α=0.2236凸包試件和光滑試件與冰的摩擦進行三維建模，在相同載荷F、相同初始溫度T0（-5℃）、相同速度ν以及相同時間t（0.015s）內(nèi)進行了熱分析。試驗結(jié)果表明，凸包試件與冰摩擦時冰面溫度升高區(qū)域較為狹長且溫度由中心區(qū)域向四周輻射遞減，中心溫度為2.179℃；而光滑試件與冰摩擦時冰面溫度升高區(qū)域較為規(guī)則且溫度分布均勻，溫度為1.205℃。
【關(guān)鍵詞】：冰摩擦學 仿生 高徑比 UHMWPE ABAQUS
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：Q811;TH117
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 摩擦學的發(fā)展過程12-13
• 1.2 庫倫定律的局限性13-14
• 1.3 仿生摩擦學14-16
• 1.3.1 仿生學概述14
• 1.3.2 生物表面與仿生摩擦學14-16
• 1.4 冰摩擦學的研究與進展16-17
• 1.5 本研究的主要內(nèi)容17-20
• 第二章 四種材料與冰的摩擦20-34
• 2.1 試驗材料的介紹20-22
• 2.1.1 超高分子聚乙烯20
• 2.1.2 聚四氟乙烯20-21
• 2.1.3 尼龍21
• 2.1.4 GCr15 鋼21-22
• 2.2 試驗材料的的加工22-24
• 2.2.1 數(shù)控機床原理23
• 2.2.2 實驗材料的準備23
• 2.2.3 冰的制備23-24
• 2.3 試驗設(shè)備24-26
• 2.3.1 UMT 微觀摩擦學實驗機24-25
• 2.3.2 試驗原理25-26
• 2.4 試驗的步驟流程26-27
• 2.5 軟件參數(shù)設(shè)置27-31
• 2.6 試驗方案的確定31-33
• 2.6.1 試驗因素31-32
• 2.6.2 試驗水平32
• 2.6.3 試驗方案32-33
• 2.7 本章小結(jié)33-34
• 第三章 摩擦試驗的數(shù)據(jù)分析與處理34-46
• 3.1 優(yōu)化試驗的結(jié)果及處理34-36
• 3.2 追加速度與溫度的全面試驗36
• 3.3 全面試驗的結(jié)果與分析36-42
• 3.3.1 載荷對冰的摩擦因數(shù)的影響36-37
• 3.3.2 固體材料對冰的摩擦因數(shù)的影響37-38
• 3.3.3 溫度對冰的摩擦因數(shù)的影響38-40
• 3.3.4 速度對冰摩擦因數(shù)的影響40-42
• 3.4 冰摩擦的機理42-43
• 3.5 本章小結(jié)43-46
• 第四章 仿生凸包 UHMWPE 固體件與冰的摩擦46-64
• 4.1 結(jié)構(gòu)仿生理論基礎(chǔ)46-47
• 4.1.1 相似理論46
• 4.1.2 進化理論46-47
• 4.1.3 優(yōu)化理論47
• 4.2 仿生幾何結(jié)構(gòu)表面形態(tài)參數(shù)的選取47-51
• 4.2.1 仿生凸包的參數(shù)的選取47-48
• 4.2.2 凸包模具的制備48-51
• 4.3 UHMWPE 加工成型方法的選擇51-52
• 4.3.1 自由燒結(jié)法51-52
• 4.3.2 燒結(jié)-壓制法52
• 4.3.3 壓制、燒結(jié)同時進行法52
• 4.3.4 快速加熱壓制法52
• 4.4 凸包摩擦試驗件的制備52-56
• 4.4.2 模壓原理53-54
• 4.4.3 成型工藝54-56
• 4.5 凸包表面固體試件與冰的摩擦試驗56-61
• 4.5.1 試驗方案的設(shè)計56-57
• 4.5.2 試驗結(jié)果與分析57-61
• 4.6 本章小結(jié)61-64
• 第五章 基于 ABAQUS 的有限元模擬分析64-84
• 5.1 ABAQUS 軟件介紹及其應用簡介64-66
• 5.1.1 ABAQUS 分析模塊65-66
• 5.1.2 ABAQUS 求解問題的一般步驟66
• 5.2 ABAQUS 在熱分析中的應用66-68
• 5.2.1 熱應力分析的基本原理66-68
• 5.3 有限元模型的建立68-79
• 5.3.1 ABAQUS 部件設(shè)計與裝配69-72
• 5.3.2 模型的網(wǎng)格劃分72-75
• 5.3.3 模型分析步設(shè)置和定義變量輸出75-76
• 5.3.4 定義接觸屬性76-78
• 5.3.5 定義載荷及邊界條件78-79
• 5.4 模型熱分析的結(jié)果與分析79-82
• 5.5 本章小結(jié)82-84
• 第六章 結(jié)論與展望84-86
• 6.1 本論文得出的結(jié)論84-85
• 6.2 后繼工作與展望85-86
• 參考文獻86-92
• 導師及作者簡介92-102
• 致謝102

【參考文獻】

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本文編號：418423