仿生柔性接触表面的摩擦特性研究

摘要

仿生学是将从自然界发现的功能、生物结构和组织原理与现代技术联系起来，并将其应用到技术创新领域的一种方法学。自然界中，许多具有攀爬能力的动物脚垫具有天然的增摩防滑功能，其与接触面可以认为是广义的柔性摩擦副。目前，柔性摩擦副被广泛应用到利用摩擦力传递动力的传动装置，以增大接触对的摩擦系数，提高工作能力和运行安全性。本文从仿生学的角度出发，在橡胶材料表面加工具有代表性的微织构，研究柔性摩擦副的摩擦特性，达到增摩和控制摩擦系数大小的目的。　　根据半球体-平面体模型的仿生柔性表面接触理论和粘着摩擦理论，得出仿生柔性表面形貌的增摩机理。对于仿生柔性表面形貌，其摩擦接触模型在有相对运动或相对运动趋势的情况下，总摩擦力等于接触形变后实际接触区域的粘着力和犁沟力的叠加；仿生柔性表面形貌具有增摩特性的前提是摩擦副中至少有一个为柔性体，且未加工微织构的表面必须为柔性体。　　运用有限元分析软件对仿生柔性表面摩擦副的受压变形与受拉摩擦进行有限元分析。首先，以半球体凸起仿生柔性表面为例，运用有限单元法研究了仿生柔性表面之间的接触信息，如变形、嵌入高度、应力、接触状态等。然后，通过控制变量法逐个研究凸起间距、正压力、凸起硬度、凸起形状、凸起尺寸对仿生柔性表面摩擦特性的影响。　　运用自制实验台分析仿生柔性表面形貌的凸起间距、正压力、凸起硬度、凸起形状、凸起尺寸对仿生柔性表面增摩性能的影响，摩擦接触实验结果显示仿生柔性表面当量摩擦系数的增幅最大可以达到63.113%。通过实验得到增摩规律如下：当量摩擦系数随着凸起间距的增加先增大后减小。当间距较小时，当量摩擦系数的增幅较小，随着间距的不断增大，上板受压向下弯曲的挠度相应增加，实际接触面积和犁沟力的增加导致摩擦力的增加；随着间距的继续增大，单位面积上的凸起的数量将随之减少，使得实际接触面积减少，故当量摩擦系数减少。当量摩擦系数随着正压力的增加先增大后减小，但减小幅度较小，基本趋于平稳。当量摩擦系数随着凸起硬度的增加而增大，且增幅明显。在半球体凸起、圆锥体凸起、长方体凸起三种形状中，长方体凸起仿生柔性表面的增摩性能最佳，圆锥体凸起次之。当凸起间距较小时，当量摩擦系数随着凸起尺寸的增加而减小，当凸起间距较大时，当量摩擦系数随着凸起尺寸增加而增大，这是由于增加凸起的尺寸等同于缩小了凸起的间距。　　通过理论分析、数值模拟和实验验证，揭示仿生柔性表面当量摩擦系数与各影响因素之间的内在规律，为摩擦传动和防滑表面的设计、应用提供可靠的依据。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2.1 自然界的启示

1.2.2 粘附机理研究现状

1.3表面织构技术研究现状

1.3.1 表面织构技术在减摩方面的研究现状

1.3.2 表面织构技术在增摩方面的研究现状

1.4 研究意义

1.5 主要研究内容

2 柔性表面织构的设计与制备

2.1 所选材料及材料特性

2.1.1 硅橡胶以及固体添加剂

2.1.2 铁粉

2.2 表面织构几何参数的设计

2.2.1 光滑橡胶表面

2.2.2 等高型织构仿生橡胶表面

2.3 表面织构制备所需工具

⑴ 电子天平

⑵ 真空干燥箱

⑶ 超声波清洗机

⑷ 3D打印机

⑸ 其他设备

2.4 表面织构制备过程

2.4.1 模具准备

2.4.2 均匀混合和高温固化

2.4.3 仿生橡胶表面试样

2.5 本章小结

3 仿生柔性表面形貌增摩机理研究

3.1 经典摩擦定律及其局限性

3.2 宏观摩擦理论及适用范围

3.2.1 机械啮合理论

3.2.2 分子作用理论

3.2.3 黏着摩擦理论

3.3 仿生柔性表面接触问题的解法

3.4 仿生柔性摩擦副摩擦接触机理研究

3.5 本章小结

4 仿生柔性表面摩擦接触仿真

4.1有限元接触问题概述

4.2仿生柔性表面的接触变形有限元分析

4.2.1 数值模拟前处理

4.2.2 边界条件的设定与后处理

4.3 不同凸起间距的仿生柔性表面摩擦接触仿真

4.4 不同正压力作用下仿生柔性表面摩擦接触仿真

4.5不同凸起硬度的仿生柔性表面摩擦接触仿真

4.6 不同凸起形状的仿生柔性表面摩擦接触仿真

4.5.1单一受压条件下的接触问题

4.5.2受拉、压条件下的接触问题

4.7 不同凸起尺寸的仿生柔性表面摩擦接触仿真

4.8 本章小结

5 仿生柔性表面摩擦接触实验台的搭建

5.1 实验系统原理

5.2 实验装置受力分析

5.3 实验装置的组成与搭建

5.3.1 机械传动系统设计

5.3.2 检测系统设计

5.3.3 控制系统设计

5.4 实验数据处理方法

5.5 本章小结

6 仿生柔性表面摩擦接触实验及分析

6.1 实验方案的设计

6.1.1 实验条件

6.1.2 实验方法

6.1.3 光滑柔性平面的摩擦接触实验

6.2 不同间距的仿生柔性表面摩擦接触实验

6.3 不同正压力作用下仿生柔性表面摩擦接触实验

6.4 不同硬度的仿生柔性表面摩擦接触实验

6.5 不同形状的仿生柔性表面摩擦接触实验

6.6 不同尺寸的仿生柔性表面摩擦接触实验

6.7 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 本文的创新点

7.3 工作展望

参考文献

附录1

作者简历

致谢

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