具有仿生条纹结构的内燃机活塞疲劳特性回归分析

活塞不仅是内燃机的主要运动部件而且工作环境最为恶劣。该文通过对活塞形态的改进,来提高活塞减磨、降阻的效用,以延长活塞的疲劳寿命。首先针对内燃机实际工况确定机械和热边界条件,然后对活塞进行热-机耦合仿真分析,观察其应力、应变和变形情况。受到与内燃机活塞运动情况接近的土壤动物蚯蚓的减阻、耐磨体表结构的启发,根据受试活塞外形尺寸,将宏观形态的仿生条纹和通孔设计加工在活塞裙部表面,以达到减磨、散热、提高活塞疲劳寿命的目的。活塞热-机耦合分析结果表明其整体受力为不均匀分布,基于此该文改进研究了变尺寸排布的仿生条纹深度、宽度、列间距。采用三水平三因素正交表制定9种仿生活塞试验方案,采用部分正交多项式回归设计对仿生活塞热-机耦合分析和疲劳寿命预测结果进行对比并优化仿生结构。选取3个最优活塞和标准活塞进行台架试验。最终发现仿生活塞比标准活塞疲劳寿命平均提高了8.8%,磨损量平均减小了90%,顶部温度平均降低了5%。该研究为活塞形态优化改进和延长内燃机整机疲劳寿命提供了参考。

仿生非光滑条纹楔横轧模具耐磨性研究

将模具和坯料均设置为弹塑性体,建立了条纹形仿生非光滑楔横轧模具的热力耦合弹塑性有限元模型,对楔横轧模具进行了耐磨性研究。得到了轧制过程中仿生模具表面的磨损、应力、应变和实时温度的分布情况,并与光滑模具的对应参数进行了比较。结果表明:仿生模具磨损主要集中在楔面上,尤其在型面交界的棱边上最为严重。仿生模具的耐磨性优于光滑模具,但模具表面应力和应变值比光滑模具大。研究结果对提高楔横轧模具的寿命具有较好的指导意义。

刮板输送机仿生条纹型中部槽耐磨性试验研究

为了提高刮板输送机中部槽的耐磨性,以扇贝壳及穿山甲鳞片的非光滑条纹结构为仿生原型设计了仿生中板。以磨损深度为响应值,基于单因素法和响应面法进行磨损分析,探究耐磨仿生的最优结构参数,结果表明:显著性影响由大到小依次为宽度、宽高比、节距,条纹宽高比与条纹宽度的交互作用最为明显;在特定工况(煤颗粒粒度6~8 mm、载荷20 N、刮板链链速0.65 m/s)下,条纹型结构的最优耐磨参数组合为:宽高比4.94,宽度1.81 mm,节距6.33 mm。对最优参数组合下的条纹中板与光滑中板的耐磨性进行仿真和试验对比,结果表明:最优耐磨参数组合下的条纹中板具有良好的耐磨性能,与光滑中板相比,磨损质量减小78.54%。分析其耐磨机理发现,条纹凸体对煤散料的流动具有分流和导向作用,缓解了中板表面的受力,使磨损深度减小。

仿生条纹制备顺序对襟翼滑轨表面WC/TC4熔覆仿生耐磨层的残余应力与变形影响的模拟分析

在飞机襟翼滑轨(TC4钛合金)表面激光熔覆制备仿生结构耐磨层试验过程中,由于仿生层结构密集,在激光熔覆过程中易产生较大的残余应力,发生翘曲变形。针对不同的仿生条纹制备顺序导致襟翼滑轨内部的残余应力与变形存在差异化问题,提出了激光仿生条纹制备顺序对襟翼滑轨表面WC/TC4熔覆层残余应力与变形的影响的数值模拟分析方法,通过CATIA建立实体模型,利用HyperMesh软件对实体模型划分网格,然后把网格模型导入MSC. Marc软件并设置各种条件以及仿生条纹制备顺序,建立了4种不同仿生条纹制备顺序的模型,并对不同仿生条纹制备顺序的残余应力和变形进行了模拟。模拟结果表明,残余应力主要集中在装夹点周围与熔覆层上,而变形主要集中在远离装夹点处的基体中心部位,一般在熔覆层上的变形量都较小,采用先两边再中间的仿生条纹制备顺序均可以有效地控制残余应力与变形,更进一步交替仿生条纹制备顺序较逐步仿生条纹制备顺序更优,残余应力和变形分别为792 MPa和1. 08 mm。试验结果对飞机襟翼滑轨表面激光熔覆制备仿生结构耐磨层具有指导意义,提高了试验效率。

仿生条纹形磨辊磨损试验及耐磨机理分析

为了提高辊压机磨辊的耐磨性能,模仿自然界中生物体表形态,在磨辊表面设计并加工出不同深度、不同周向个数的仿生条纹形结构,并根据正交试验设计方案对磨辊进行磨损试验。结果表明:仿生条纹形结构能有效提高磨辊的耐磨性能,条纹深度和条纹周向个数对磨损量均有影响。相较于标准磨辊,仿生磨辊的耐磨性最大可提高72.1%。分析仿生磨辊耐磨机理发现:条纹形结构使磨辊与石英砂接触更加充分均匀,同时减少了石英砂在其表面滑磨的机率,从而优化了磨辊整体及各局部的受力情况,是提高磨辊耐磨性的重要原因。