沙漠條斑鉗蝎耐沖蝕特性及其仿生應(yīng)用

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1、沙漠條斑鉗蝎耐沖蝕特性及其仿生應(yīng)用ErosionwearresistancecharacteristicsofdesertMesobuthuseupeusanditsbionicapplication作者姓名：封海龍專業(yè)名稱：仿生科學與工程指導(dǎo)教師：韓志武學位類別：工學碩士答辯日期：2015年6月3日摘要沙漠條斑鉗蝎耐沖蝕特性及其仿生應(yīng)用離心風機是工業(yè)生產(chǎn)中提供氣體動力的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于國民生產(chǎn)生活中的各個方面。離心風機在環(huán)境惡劣的工況下作業(yè)過程中，由于氣體夾雜固體顆粒會對風機葉片造成沖蝕磨損失效，因而大大降低了風機的使用壽命，進而增加了其維護成本。自然界中許多生物為人們解決

2、工程問題提供了參考，近年來仿生學的研究受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。本文通過仿生學的啟發(fā)，尋求一種提高離心風機耐沖蝕磨損性能的新方法。本文以沙漠條斑鉗蝎為生物模本，研究了其耐沖蝕磨損特性。通過對其背部體表進行體視顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)其背部7個背板寬度從蝎子頭部到尾部依次增大，背板的寬度范圍為：2.04～3.98mm，且背板之間連接為V型槽結(jié)構(gòu)。據(jù)此，建立了仿生V型槽結(jié)構(gòu)模型。對蝎子背部進行組織切片觀察，發(fā)現(xiàn)其背部表層及內(nèi)層的組織硬度不同；對蝎子活體進行沖蝕試驗觀察，發(fā)現(xiàn)當蝎子受到砂粒沖擊時會做出蜷縮的動作；對蝎子背部體表進行逆向工程分析，發(fā)現(xiàn)其背部橫縱向均具有一定的曲率，據(jù)此，建立了無

3、曲率仿生耦合模型和有曲率仿生耦合模型。然后，本文對仿生模型的沖蝕磨損性能進行了研究。首先，利用FLUENT軟件對仿生V型槽結(jié)構(gòu)模型、弧型槽結(jié)構(gòu)模型、方型槽結(jié)構(gòu)模型及光滑型模型的沖蝕磨損性能進行仿真分析，結(jié)合試驗優(yōu)化設(shè)計的方法優(yōu)選出了具備最優(yōu)耐沖蝕磨損性能的仿生V型槽結(jié)構(gòu)模型。其次，對無曲率仿生耦合試樣、仿生V型槽結(jié)構(gòu)試樣及光滑型試樣進行沖蝕磨損試驗，結(jié)果表明，無曲率仿生耦合試樣具備較優(yōu)的耐沖蝕磨損性能。再次，對有曲率仿生耦合試樣、無曲率仿生耦合試樣、仿生V型槽結(jié)構(gòu)試樣及光滑型試樣的沖蝕磨損試驗進行極差分析及回歸分析：極差分析結(jié)果表明影響試樣沖蝕磨損性能的主次因素為：試樣的縱向曲率

4、、試樣的柔性體厚度和試樣的硬質(zhì)層厚度。最優(yōu)組合為：硬質(zhì)層的厚度為2mm，柔性體厚度為5mm，試樣縱向曲率為0。通過回歸分析得到試樣的沖蝕磨損率與試樣縱向曲率、柔性體厚度及硬質(zhì)層厚度的關(guān)系式為：222y??1.06z?4.24z?3.02z?0.184z?4.36z?1.17z?6.34。112233接下來，本文對仿生試樣耐沖蝕磨損的機理進行了探討。首先，從氣體湍流、I流速分布及沖蝕磨損區(qū)域劃分的角度，對仿生V型槽結(jié)構(gòu)試樣較光滑型試樣具備較優(yōu)耐沖蝕磨損性能的機理進行了探討。其次，對于無曲率仿生耦合模型耐沖蝕磨損性能>V型槽模型耐沖蝕磨損性能>有曲率仿生耦合模型耐沖蝕磨損性能>光滑模

5、型耐沖蝕磨損性能的試驗結(jié)果，從基于FLUENT氣體湍流及流速分布和基于LS-DYNA應(yīng)力傳遞及能量緩釋的角度進行了探討。最后，本文參照無曲率仿生耦合模型進行離心風機葉片的設(shè)計，對離心風機葉片及其仿生結(jié)構(gòu)的沖蝕磨損狀況進行了可視化研究。普通離心風機葉片壓力面的沖蝕磨損部位主要集中在前緣部位，其中，壓力面前緣靠近葉輪后盤的部位磨損較為嚴重。吸力面的沖蝕磨損部位主要集中在葉片的前緣部位，前緣部位靠近葉輪前盤及后盤的部位均有不同程度的磨損。對于硅膠板厚度為2mm的葉片仿生結(jié)構(gòu)而言，其壓力面的后緣部位的仿生圖案中與其吸力面后緣靠近葉輪后盤的部位均產(chǎn)生了沖蝕粒子沉積的現(xiàn)象，沉積的粒子形成了一

6、種保護層，阻礙沖蝕粒子對于材料的沖蝕磨損作用，其壓力面前緣部位及其吸力面的前緣（尤其是靠近葉輪前后盤的部位）磨損較為嚴重。對于硅膠板厚度為5mm的仿生結(jié)構(gòu)而言，同樣由于粒子沉積現(xiàn)象的存在，其壓力面的前緣部位磨損較為嚴重，吸力面的磨損幾乎貫穿于整個葉片，其中壓力面后緣靠近葉輪后盤的部位磨損程度較輕。除此之外，本文考察了葉片仿生結(jié)構(gòu)在不同硅膠板厚度及螺栓擰緊扭矩下的耐沖蝕磨損性能，并對試驗結(jié)果進行了探討。通過對試驗結(jié)果進行分析后發(fā)現(xiàn)，硅膠板厚度為2mm，螺栓的擰緊扭矩為30N·M時，葉片仿生結(jié)構(gòu)具備最優(yōu)的耐沖蝕磨損性能，在達到穩(wěn)態(tài)沖蝕磨損時，其失重量約為24mg。關(guān)鍵詞：沙漠條斑鉗蝎

7、，仿生，沖蝕磨損，仿真分析，離心風機IIAbstractErosionwearresistancecharacteristicsofdesertMesobuthuseupeusanditsbionicapplicationCentrifugalfanisimportantequipmentprovidinggaspowerinindustrialproductionandmanyaspectsofnationallife.Whencentrifugalfanworkedinthe