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耦合仿生抗冲蚀功能表面试验研究与数值模拟

张俊秋

  在国民经济和国防建设中,各种机械零件由于磨损与腐蚀引起的早期失效与报废,造成的能源与材料消耗是十分惊人的。材料的磨损与腐蚀也是影响近代机械产品的性能和寿命,从而影响其竞争能力的重要问题。冲蚀磨损是指松散的固体小颗粒或液滴按一定的速度或角度冲击到材料表面所造成的一种材料损耗现象或过程。冲蚀磨损广泛存在于机械、冶金、能源、建材、航空、航天等许多工业部门,已成为材料破坏或设备失效的重要原因之一。因此,研究材料的冲蚀行为,揭示其冲蚀机理及影响因素,正确地选择材料,对节约材料、降低能耗、提高经济效益具有重要的意义。冲蚀占工业生产中经常出现磨损破坏总数的8%,由冲蚀磨损引发的一系列问题引起了国内外学术界和工程领域的广泛重视。提高材料表面的耐冲蚀性、减少材料的冲蚀磨损成为目前急需解决的重要课题。 本文从仿生学角度出发,研究仿生形态表面以及柔性与形态耦合仿生样件的耐冲蚀性。本研究在理论上的科学价值体现在力图揭示出生物体表形态与柔性耦合耐冲蚀机理,完善和扩展工程仿生学理论及其应用。 本文总体上可分为两个部分:第一部分是试验;第二部分是计算机模拟。在第一部分试验中,以沙漠蝎子作为研究对象,对其耐冲蚀功能进行了生物耦合研究,得出沙漠蝎子背部耐冲蚀功能是多因素耦合作用的结果。对沙漠蝎子背部耐冲蚀功能起重要作用的生物耦元有形态、材料和柔性。通过对沙漠蝎子耐冲蚀功能的研究,提取了凹坑形、凹槽形、圆环形三种形态耦元,采用机加工技术在金属材料表面实现三种形态耦元的加工,采用试验优化设计理论,安排了试验方案,选取了四个试验因素和三个试验水平,试验指标为冲蚀率,进行了凹坑形、凹槽形、圆环形仿生形态表面样件耐冲蚀性的对比试验;分析不同形态表面对金属材料表面耐冲蚀性的影响规律,揭示仿生形态表面耐冲蚀机理。试验表明:仿生形态表面可以改善材料的耐冲蚀性,在本试验条件下,圆环形表面耐冲蚀性最好。在单一形态耦元冲蚀磨损试验研究基础上,利用快速成型设备实现柔性与形态耦合仿生样件表面形态的加工制造,并利用硅胶实现生物柔性,进行了柔性和三种不同间距的凹槽形耦合仿生样件耐冲蚀性试验,并在耐冲蚀性最优和最差的两个试验点,与凹槽形、光滑与柔性、光滑三种样件进行了对比试验。 本文的第二部分进行了仿生形态表面以及柔性与形态耦合仿生样件冲蚀磨损过程的数值模拟。在三维有限元模拟过程中,详细地对比了不同仿生形态表面以及柔性与三种不同间距的凹槽形耦合仿生样件的等效应力,并且绘制了三种仿生形态表面以及柔性与三种不同间距的凹槽形耦合仿生样件在不同时刻的等效应力对比柱状图和折线图。本文利用FLUENT软件和ANSYS/LS-DYNA软件,获得了光滑表面和凹坑形、凸包形、凹槽形仿生形态表面样件,以及柔性与三种不同间距的凹槽形耦合仿生样件冲蚀磨损过程中的冲蚀率和等效应力,对于研究仿生形态表面以及柔性与形态耦合仿生样件抗冲蚀机理和预报冲蚀磨损有一定的借鉴意义,也为其他耦合仿生的研究及其对材料表面耐冲蚀性影响提供了重要的参考价值。 全文共分八章。第一章为绪论。第二章是沙漠蝎子的抗冲蚀特性研究及耦合仿生抗冲蚀模型建立。第三章主要是设计研制冲蚀磨损试验机,安排试验方案,并且进行了凹坑形、凹槽形、圆环形仿生形态表面样件的耐冲蚀性试验;运用部分正交多项式回归设计得到了圆环形仿生形态表面样件的冲蚀率与各试验因素关系(如砂子粒径、喷砂角度、样件转速)的回归方程。第四章是柔性与形态耦合仿生样件抗冲蚀磨损试验研究。运用多元线性回归设计处理试验数据,得到耦合仿生样件的冲蚀率与各试验因素关系(如砂子粒径、喷砂角度、压力、凹槽间距)的回归方程。第五章深入探讨了冲蚀磨损的影响因素和机理。第六章是基于ANSYS/LS-DYNA进行了凹坑形、凹槽形、圆环形仿生形态表面以及柔性与三种不同间距的凹槽形耦合仿生样件的冲蚀磨损过程的三维有限元分析,并且依据模拟结果绘制了各个时刻等效应力峰值柱状图和折线图。第七章是基于FLUENT的气/固异相混合介质冲蚀过程数值模拟。第八章为结论。……   
[关键词]:耦合仿生;试验优化设计;冲蚀磨损;ANSYS/LS-DYNA;FLUENT;有限元;数值模拟;冲蚀率
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:吉林大学2011年