耐磨仿生几何结构表面及其土壤磨料磨损

论文摘要

针对土壤洞穴动物穿山甲和水生软体动物栉孔扇贝、蛤蜊、方斑东凤螺的生物体表具有耐磨料磨损的几何结构,利用逆向工程等测量技术数字化分析了其所具有的几何结构特征,并建立了数学模型。利用结构仿生理论设计出仿生棱纹结构表面,仿生凸包结构表面,仿生台阶结构表面和仿生鳞片结构表面。利用JMM型土壤磨料磨损试验机对几种仿生结构表面及平板表面进行了模拟土壤磨料磨损的试验研究。利用方差分析法对试验结果进行了对比分析。探索了滑动速度、磨料尺寸及仿生结构单体分布间距对试验结果的影响。利用离散元软件对磨料磨损过程进行了数值模拟,依据离散元分析结果,对仿生几何结构表面的耐土壤磨料磨损的机理进行了分析。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 选题目的及意义
• 1.2 磨料磨损
• 1.2.1 两体磨料磨损
• 1.2.2 磨料磨损研究进展
• 1.3 仿生学的发展
• 1.4 生物表面与仿生摩擦学
• 1.4.1 生物表面润湿性及其仿生技术
• 1.4.2 生物表面粘附及其仿生技术
• 1.4.3 生物表面防粘性及其仿生技术
• 1.4.4 生物表面摩擦特性及其仿生技术
• 1.4.5 生物表面润滑特性及其仿生技术
• 1.4.6 生物表面磨损特性及其仿生技术
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 耐磨生物体表几何特征分析
• 2.1 生物几何结构表面
• 2.2 棱纹形生物几何结构表面
• 2.2.1 穿山甲鳞片及栉孔扇贝瓣
• 2.2.2 棱纹形几何结构特征提取
• 2.2.3 棱纹形几何结构数学模型的建立
• 2.3 凸包形生物几何结构表面
• 2.3.1 蛤蜊瓣
• 2.3.2 凸包形几何结构特征提取
• 2.3.3 凸包形几何结构数学模型的建立
• 2.4 台阶形生物几何结构表面
• 2.4.1 方斑东凤螺壳
• 2.4.2 台阶形几何结构特征提取
• 2.4.3 台阶形几何结构数学模型的建立
• 2.5 鳞片形生物几何结构表面
• 2.5.1 穿山甲鳞片裸露部分
• 2.5.2 穿山甲鳞片裸露部分的测量
• 2.5.3 鳞片形几何结构数学模型的建立
• 2.6 小结
• 第三章 仿生几何结构耐磨表面的设计与制备
• 3.1 结构仿生理论基础
• 3.1.1 相似理论
• 3.1.2 进化理论
• 3.1.3 优化理论
• 3.2 设计和制造基本原则和步骤
• 3.3 设计软件的选择
• 3.4 仿生耐磨几何结构表面设计
• 3.4.1 棱纹形仿生几何结构表面设计
• 3.4.2 凸包形仿生几何结构试样设计
• 3.4.3 台阶形仿生几何结构表面设计
• 3.4.4 鳞片形仿生几何结构表面设计
• 3.5 仿生几何结构表面制备
• 3.5.1 模具制造工艺
• 3.5.2 试样制造
• 3.5.3 试验设备
• 3.5.4 成型工艺
• 3.6 小结
• 第四章 仿生几何结构表面的土壤磨料磨损试验研究
• 4.1 试验条件
• 4.2 试验设备
• 4.3 试验过程
• 4.4 磨损量的测量方法
• 4.4.1 常用的磨损量测定方法
• 4.4.2 本试验磨损量的测量方法
• 4.4.3 逆向工程技术测量磨损量的步骤
• 4.4.4 应用实例（一）
• 4.4.5 应用实例（二）
• 4.5 试验方案
• 4.6 试样质量磨损量结果及方差分析
• 4.6.1 凸包形几何结构表面的试验结果分析
• 4.6.2 鳞片形几何结构表面的试验结果分析
• 4.6.3 台阶形几何结构表面的试验结果分析
• 4.6.4 棱纹形几何结构表面的试验结果分析
• 4.6.5 平板形试样的试验结果分析
• 4.6.6 质量磨损量的对比分析
• 4.6.7 几何结构单体体积磨损量的对比分析
• 4.7 材料与结构耦合表面的试验
• 4.7.1 板面材料的密度
• 4.7.2 单体的磨损质量占表面总磨损质量的分数
• 4.7.3 磨损形貌分析
• 4.7.4 耦合表面的制备与试验
• 4.7.5 试验结果与分析
• 4.8 小结
• 第五章 仿生几何结构表面磨料磨损过程的离散元模拟和机理分析
• 5.1 离散元法的发展现状
• 5.2 磨料物理参数的测量
• 5.2.1 磨料密度
• 5.2.2 磨料硬度
• 5.2.3 磨料的内聚力和内摩擦角
• 5.2.4 磨料弹性模量
• 5.3 接触力学模型
• 5.3.1 线性刚度接触力学模型
• 5.3.2 非线性接触力学模型
• 5.4 边界模型及基本假设
• 5.5 离散元模拟双轴试验
• 5.6 土壤接触离散元数值模拟及分析
• 5.6.1 滑动速度对试样磨料磨损影响
• 5.6.2 磨料颗粒尺寸对试样磨料磨损的影响
• 5.7 仿生几何结构土壤磨料磨损的机理分析
• 5.8 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文及参与科研项目情况
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 附录 1 棱纹形仿生几何结构表面试样图
• 附录 2 凸包形仿生几何结构表面试样图
• 附录 3 台阶形仿生几何结构表面试样图
• 附录 4 鳞片形仿生几何结构表面试样图
• 附录 5 颗粒尺寸为0.104－0.214mm 土壤的破坏曲线
• 附录 6 颗粒尺寸为0.214－0.420mm 土壤的破坏曲线
• 附录 7 颗粒尺寸为0.420－0.840mm 土壤的破坏曲线
• 附录 8 颗粒尺寸为0.104－0.214mm 的土壤应力－应变曲线
• 附录 9 颗粒尺寸为0.214－0.420mm 的土壤应力－应变曲线
• 附录 10 颗粒尺寸为0.420－0.840mm 的土壤应力－应变曲线
• 导师及作者简介