正六棱柱形仿生橡胶表面的增摩机理研究

摘要

仿生学是一门从自然环境的生物体中获取灵感，并且将其通过转化应用到技术创新领域中去的一种方法学。自然界中，许多具有攀爬能力的动物体表形貌具有天然的增摩防滑功能，若运用仿生学原理，将其应用到生产生活中的摩擦领域，可以提高摩擦副之间的摩擦力，从而实现生产效率、经济效益和安全性的提升。
　　本文通过对较强攀爬、吸附能力的树蛙、蝗虫、壁虎等生物体的足垫形貌进行观察，利用仿生摩擦学的基本原理，设计出一种正六棱柱形仿生橡胶表面。该仿生橡胶表面是由均匀等距分布的正六棱柱凸包构成，凸包尺寸为毫米级，采用橡胶材料来模拟生物体的柔性特征。将正六棱柱的外接圆直径、高度、间距、板厚设置为仿生橡胶表面的结构参数，随后通过理论分析、有限元分析和摩擦试验的方法研究了仿生橡胶表面的增摩机理。
　　研究了橡胶的弹性物理学，分析了在微观接触的条件下，仿生橡胶表面的Hertz接触理论。简要分析了几种黏着接触的解法并解释了各自的使用范围，着重分析了适用于仿生橡胶表面的JKR黏着接触理论，得出两弹性体之间的黏着接触的黏着力。
　　运用ANSYS有限元分析软件对六棱柱形仿生橡胶表面的受压变形与受拉摩擦进行了有限元分析。得到了橡胶平面弯曲变形的最大挠度与均布载荷、六棱柱间距和模型上板厚度的关系。仿真结果表明:最大挠度与上板所受正压力呈正比关系;最大挠度与六棱柱间距呈正相关，随着六棱柱间距的逐渐增大，最大挠度的增幅也在相应的增大;最大挠度与模型上板厚度呈负相关，随着模型上板厚度的逐渐增大，最大挠度减小的趋势也在减缓。通过控制变量法逐个研究六棱柱间距、六棱柱外接圆直径、六棱柱高度、正压力、上板厚度对仿生橡胶表面摩擦特性的影响。大量的仿真数据表明:当量摩擦系数随着六棱柱间距的增加先变大后变小;在六棱柱间距较小时，正六棱柱外接圆直径越大，仿生橡胶表面的当量摩擦系数越小，而六棱柱间距较大时，正六棱柱外接圆直径越大，仿生橡胶表面的当量摩擦系数越大;仿生橡胶表面的当量摩擦系数随正六棱柱高度的增加，先变大后变小，最后趋于定值;随着施加在上板正压力的逐渐增加，仿生橡胶表面的当量摩擦系数也具有不同程度的增大，并且在正压力比较小的阶段，当量摩擦系数的增幅较大，随后有所减缓，最后仿生橡胶表面的当量摩擦系数趋于平稳;上板厚度越大，仿生橡胶表面的当量摩擦系数越小。仿生橡胶表面的当量摩擦系数最高可达0.7725，增幅最高可达28.75％。由此可见，仿生橡胶表面具有一定程度的增摩效果。
　　分别对变间距、变六棱柱外接圆直径、变六棱柱高度、变正压力、变上板厚度的仿生橡胶表面试样进行摩擦试验，测得各试样的摩擦力，求得仿生橡胶表面的当量摩擦系数。摩擦试验结果显示仿生橡胶表面当量摩擦系数的增幅最大可以达到25.62％，实验结果显示六棱柱形仿生橡胶表面具有较为明显的增摩效果。将实验数据与仿真模拟的结果进行对比后发现，两者的数据结果基本吻合。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的与意义

1．3 课题的研究现状分析

1．4 存在的问题和发展趋势

1．5 本文主要研究内容

2 六棱柱形非光滑表面的仿生设计

2．1 仿生设计的基本步骤

2．2 生物体的选取与生物模型的建立

2．3 实体模型的建立

2．4 六棱柱形仿生表面的参数化设计

2．5 本章小结

3 橡胶弹性物理学

3．1 引言

3．2 橡胶热力学分析

3．3 橡胶弹性的统计理论

3．4 橡胶的应力-应变关系

3．5 一般应变的唯象理论

3．6 本章小结

4 仿生橡胶表面接触与摩擦原理

4．1 引言

4．2 Hertz接触理论

4．3 黏着接触

4．4 橡胶摩擦与橡胶接触力学

4．5 本章小结

5 仿生橡胶表面变形与摩擦的有限元分析

5．1 引言

5．2 有限元接触问题概述

5．3 仿生橡胶表面的接触变形有限元分析

5．4 仿生橡胶表面的摩擦特性有限元分析

5．5 仿生橡胶表面参数与摩擦特性的关系

5．6 仿生橡胶表面摩擦特性综合分析

5．7 本章小结

6 仿生橡胶表面摩擦特性试验

6．1 引言

6．2 摩擦试验系统的工作原理和组成部分

6．3 试验条件与方法

6．4 仿生橡胶表面的摩擦试验

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 本文的主要结论

7．2 本文的创新点

7．3 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况

附录 重要参数表