凸包形仿生非光滑表面设计与增摩机理研究

摘要

利用摩擦力来传递动力和防止滑动的应用极为广泛，许多动物具有很强的攀爬附着能力，利用仿生技术研究其增摩增阻机理，具有重要的理论意义和实际应用价值。基于对具有显著摩擦性能的典型动物的研究，本课题设计了具有典型非光滑形貌的仿生增摩表面系列，对凸包形仿生表面在平面摩擦传动状态下的增摩机理进行了研究和分析，得出了仿生表面凸包形态、凸包密度和排列形式等对仿生表面增摩性能的影响规律，为仿生表面的制备和工程应用提供了依据。
　　在对典型动物研究的基础上，提取了圆柱形、凸台形和球冠形凸包为仿生表面设计元素，并设计了具有不同凸包形态、密度和排列方式的圆柱形、凸台形和球冠形凸包的仿生增摩表面。在相同的载荷和运动状态下对三种形态的仿生表面进行理论分析，得出了三种仿生表面均具有增加摩擦力的效果，并且计算得出了仿生表面摩擦力增量计算公式。
　　利用有限元软件建立了仿生表面的柔性-刚性摩擦学模型，对比分析了凸包形态、凸包密度和凸包排列形式对仿生表面增摩性能的影响，得出三种凸包仿生表面的增摩性能由高到低排列为凸台形、球冠形和圆柱形；得出凸包中心距为凸包底圆半径的4倍时，仿生表面的增摩性能最优；得出当凸包沿相对运动方向呈三角形排列时表现出更优的增摩性能。
　　为进一步验证和揭示仿生表面的增摩性能和增摩机理，本文加工制备了不同种类的仿生表面，并利用摩擦磨损试验机进行了仿生表面的摩擦试验。试验结果得出了凸包形态、密度、和排列形式对仿生表面摩擦性能的影响规律，也证实了理论分析和软件模拟仿真的结果。试验同时对比分析了仿生表面和普通表面在界面存在水介质和砂介质情况下的摩擦性能情况，结果指出仿生表面摩擦接触过程中受水介质和砂介质的影响较小（摩擦系数降低约18％-23%），而水介质和砂介质对普通表面摩擦接触过程的摩擦性能具有很大的影响（摩擦系数降低约36%-70%）。试验结果验证了仿生表面的增摩性能，并揭示了仿生表面的增摩机理，具有重要的理论意义和实际意义。

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CONTENTS

1 绪论

1.1 选题背景和课题来源

1.2 研究目的与意义

1.3 课题研究现状

1.4 本课题研究内容

2 仿生对象研究及仿生表面设计

2.1 典型动物足垫形貌的研究

2.2 仿生元素提取与分析

2.3 仿生表面设计

2.4 本章小结

3 仿生表面增摩性能的理论分析

3.1 仿生增摩表面受力分析

3.2 弹性变形和柔性互锁对仿生表面摩擦性能的影响

3.3 本章小结

4 基于ANSYS的仿生表面增摩性能分析

4.1 有限元方法及ANSYS软件

4.2 凸包形态对仿生表面增摩性能的影响

4.3 凸包密度对仿生表面摩擦性能的影响

4.4 凸包排列形式对仿生表面摩擦性能的影响

4.5 本章小结

5 仿生表面摩擦性能试验

5.1 仿生表面制备

5.2 摩擦磨损试验台与摩擦副

5.3 仿生表面摩擦性能试验

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 主要研究工作与结论

6.2 需进一步研究的问题

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