毛蚶壳形态-材料耦合仿生表面耐冲蚀性能试验

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1、2014年11月农业机械学报第45卷增刊doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．S0．051*毛蚶壳形态/材料耦合仿生表面耐冲蚀性能试验111111，2张成春李雪丽张春艳章甘王现宝王晶(1．吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春130025;2．吉林大学农学部公共教学中心，长春130062)摘要:基于毛蚶壳的表面形态特征、软硬相间的硬度分布特征，设计了形态/材料二元耦合仿生模型，试验研究了影响耦合仿生表面耐冲蚀磨损性能的主次因素和最优组合。试验磨料选用80～140目的石英砂与水的混合物，磨损时

2、间为30h，倾斜角度为30°，试样转速为1400r/min。试验结果表明，经激光合金化、激光相变硬化处理的光滑试样、单元形态仿生试样和形态/材料耦合仿生试样的耐冲蚀磨损性能与光滑试样相比均有提高，形态/材料耦合仿生试样的耐磨性最好。影响耦合仿生表面耐冲蚀磨损性能的主次因素依次为激光表面强化技术、振幅、周期和条纹方向，耦合试样经激光合金化处理、振幅为3mm、周期为10mm、条纹方向为法向时具有最优的耐冲蚀磨损性能。关键词:工程仿生学仿生耦合冲蚀正交试验设计中图分类号:TB17文献标识码:A文章编号:1000-1298(20

3、14)S0-0314-05仪，获取贝壳表面三维点云数据，应用Geomagic引言studio对点云数据进行曲面重构。图1所示为贝壳冲蚀磨损是造成含固体粒子多相流工作介质装表面三维点云数据。观察发现，贝壳表面棱纹从两［1－4］备失效的主要原因之一。国内外学者从改进设片贝壳结合处向前端辐射，棱纹尺寸从小至大过渡计、选用耐冲蚀磨损的材料、应用表面强化技时曲面光滑。因此，研究曲面特征曲线时，可取典型［5－8］术，在一定程度上提高了工作部件的耐冲蚀性位置作为研究样本。本文取贝壳偏前端位置(图2)能。但是，流场变化剧烈的部位仍不可避

4、免地受到表面轮廓线进行曲线拟合，得方程固体颗粒的连续冲刷，造成了金属材料表面严重损坏。y=0.26sin(0.299x+0.699)+近年来，仿生学耐冲蚀磨损的研究作为一种解0.254sin(1.77x－0.75)(1)［9－10］决冲蚀磨损的新方法被众多研究者重视。仿生学研究表明，生物对其生存环境的适应性是通过［11－12］其自身多个因素的耦合实现的。生活在泥沙环境中的贝类，在长期经受海水潮汐冲蚀的过程中，进化了适合其生存环境的特殊表面。本文进行毛蚶壳的仿生研究，建立形态/材料二元耦合仿生模型，并通过试验研究其耐冲蚀性

5、能，确定影响耦合仿生表面耐冲蚀磨损性能的主次因素和最优组合。图1贝壳表面三维点云数据1形态/材料二元耦合仿生模型Fig．1Three-dimensionalpointcloudofsubcrenatashell1.1毛蚶壳表面特征曲线提取1.2毛蚶壳表面硬度特征采集活体毛蚶样本，取壳并清洗掉表面杂质，置用IsoMet4000型精密切割机将毛蚶壳按图3于盛有丙酮的烧杯中，静置20min取出，用软毛刷所示的不同位置分割成小样，测量毛蚶壳棱纹及沟顺着棱纹方向将绒毛去掉，再用清水洗净、晾干，用槽内部的硬度。测量结果如图4所示。d

6、pt-5显影剂对毛蚶表面进行着色处理。从图4中可以看出，毛蚶壳表面呈棱纹和沟槽应用柯尼卡美能达VIVID910型三维激光扫描交替软硬相间的结构，棱纹处显微硬度均值显著大收稿日期:2014-06-28修回日期:2014-08-18*国家自然科学基金资助项目(U1134109、51106062、51206058)作者简介:张成春，副教授，主要从事仿生流动控制方法与技术研究，E-mail:jluzcc@jlu．edu．cn通讯作者:王晶，副教授，主要从事仿生流场控制技术研究，E-mail:ccwang@foxmail．com增

7、刊张成春等:毛蚶壳形态/材料耦合仿生表面耐冲蚀性能试验315图5磨损试验台Fig．5Equipmentoferosiontest1．电动机2．旋转轴3．试样4．料浆箱表面处理方式对其耐冲蚀磨损性能的影响。试验因图2贝壳表面截面曲线素分别为条纹方向、振幅、周期、表面处理方式。条Fig．2Shellsurfacesectioncurves纹方向定义如下:平行于试验样件转速的切线方向为切向，垂直于试验样件转速的切线方向为法向。各因素水平的确定还考虑了贝壳表面轮廓曲线方程，以及试验样件的尺寸和机械加工所能达到的精度，以及形态/材

8、料二元耦合仿生表面的实现方式。表1所示是冲蚀磨损试验方案。表1冲蚀磨损试验方案Tab．1Experimentalschemeoferosionwear图3毛蚶壳硬度测量区域试验因素Fig．3Hardnessmeasurementareaonsubcrenatashell序号条纹方向A振幅B/mm周期C/mm表面处理方