Effects of hysteresis of static contact angle (HSCA) and boundary slip on the hydrodynamics of water striders

It is known that contact lines keep relatively still on solids until static contact angles exceed an interval of hysteresis of static contact angle (HSCA), and contact angles keep changing as contact lines relatively slide on the solid. Here, the effects of HSCA and boundary slip were first distinguished on the micro-curvature force (MCF) on the seta. Hence, the total MCF is partitioned into static and dynamic MCFs correspondingly. The static MCF was found proportional to the HSCA and related with the asymmetry of the micro-meniscus near the seta. The dynamic MCF, exerting on the relatively sliding contact line, is aroused by the boundary slip. Based on the Blake-Haynes mechanism, the dynamic MCF was proved important for water walking insects with legs slower than the minimum wave speed . As insects brush the water by laterally swinging legs backwards, setae on the front side of the leg are pulled and the ones on the back side are pushed to cooperatively propel bodies forward. If they pierce the water surface by vertically swinging legs downwards, setae on the upside of the legs are pulled, and the ones on the downside are pushed to cooperatively obtain a jumping force. Based on the dependency between the slip length and shear rate, the dynamic MCF was found correlated with the leg speed U, as , where and are determined by the dimple depth. Discrete points on this curve could give fitted relations as (Suter et al., J. Exp. Biol. 200, 2523-2538, 1997). Finally, the axial torque on the inclined and partially submerged seta was found determined by the surface tension, contact angle, HSCA, seta width, and tilt angle. The torque direction coincides with the orientation of the spiral grooves of the seta, which encourages us to surmise it is a mechanical incentive for the formation of the spiral morphology of the setae of water striders.

Comparative study of two lattice Boltzmann multiphase models for simulating wetting phenomena: implementing static contact angles based on the geometric formulation

Wetting phenomena are widespread in nature and industrial applications. In general, systems concerning wetting phenomena are typical multicomponent/multiphase complex fluid systems. Simulating the behavior of such systems is important to both scientific research and practical applications. It is challenging due to the complexity of the phenomena and difficulties in choosing an appropriate numerical method. To provide some detailed guidelines for selecting a suitable multiphase lattice Boltzmann model, two kinds of lattice Boltzmann multiphase models, the modified S-C model and the H-C-Z model, are used in this paper to investigate the static contact angle on solid surfaces with different wettability combined with the geometric formulation(Ding, H. and Spelt, P.D. M. Wetting condition in diffuse interface simulations of contact line motion. Physical Review E, 75(4), 046708(2007)). The specific characteristics and computational performance of these two lattice Boltzmann method(LBM) multiphase models are analyzed including relationship between surface tension and the control parameters, the achievable range of the static contact angle, the maximum magnitude of the spurious currents(MMSC), and most importantly, the convergence rate of the two models on simulating the static contact angle. The results show that a wide range of static contact angles from wetting to non-wetting can be realized for both models. MMSC mainly depends on the surface tension. With the numerical parameters used in this work, the maximum magnitudes of the spurious currents of the two models are on the same order of magnitude. MMSC of the S-C model is universally larger than that of the H-C-Z model. The convergence rate of the S-C model is much faster than that of the H-C-Z model. The major foci in this work are the frequently-omitted important details in simulating wetting phenomena. Thus, the major findings in this work can provide suggestions for simulating wetting phenomena with LBM multiphase models along with the geometric formulation.

Effects of the radial force on the static contact properties and sealing performance of a radial lip seal

The radial force is a critical factor to determine the sealing performance of radial lip seals.The effects of radial force produced by garter spring and interference on the static contact properties and sealing performance of a radial lip seal are investigated by numerical simulations and experiments.Finite-element analysis and mixed elastohydrodynamic lubrication simulation are used.Radial force,contact width,temperature in the sealing zone,the reverse pumping rate and friction torque are measured.A critical value of interference for a cost-effectively designed radial lip seal is found.Spring force is required to compensate the decrease of the radial force because of the interference and used as a possible way to obtain intelligent control of sealing performance.The quantitative results gotten in this study could provide guide for the seal design and improvement.

基于离散元法的面粉颗粒接触参数标定试验

为设计和优化面粉输送设备,应用离散元法对面粉进行准确地工程建模和分析,需要对其接触参数进行必要的标定。该研究依据颗粒缩放理论,用“Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts”接触模型表征面粉颗粒间黏性的影响,提出了一种基于静/动态休止角的接触参数标定方法。运用正交试验方法,对接触参数的敏感性和方差分析,表明面粉颗粒间的滚动摩擦系数、面粉颗粒与不锈钢表面间的静摩擦系数、表面能对静态休止角的影响极显著(P<0.01),并且多组接触参数都可以模拟出与试验相同的静态休止角。进一步研究表明,面粉颗粒与不锈钢表面间的静摩擦系数的合理取值范围为0.2~0.4。通过2种填充率、4种转速下基于动态休止角的参数标定,将其中与试验最为吻合的一组参数作为标定结果,其值如下:面粉颗粒之间恢复系数为0.6、面粉颗粒之间静摩擦系数为0.2、面粉颗粒之间滚动摩擦系数为0.1、面粉颗粒与不锈钢容器表面之间恢复系数为0.6、面粉颗粒与不锈钢容器表面之间静摩擦系数为0.6、面粉颗粒与不锈钢容器表面之间滚动摩擦系数为0.5、表面能为0.12 J/m^(2)。使用该组参数对矩形容器中物料自由坍塌试验进行仿真,其结果与试验结果相符,验证了该标定方法的有效性。该研究提出的标定方法简单、易执行,对粉料输送设备的设计及优化具有一定的工程应用价值。

浮选颗粒条栅结构表面润湿行为特性研究

矿物颗粒间表面润湿性差异是浮选成功的关键,受表面化学性质与物理形貌结构的双重影响。为进一步明确表面物理形貌结构对液滴在矿物颗粒表面上润湿行为的影响,采用光刻显影技术制备了5种具有不同粗糙度系数和表面面积分数的条栅结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面,并利用自制的动/静态接触角测量系统及润湿三相接触线行为测试系统对液滴在PDMS表面上的润湿行为进行了测试。动/静态接触角测试结果表明:当表面粗糙度系数相同时,固体表面面积分数增加,条栅结构表面不同润湿方向上的接触角均呈减小趋势,而当表面面积分数相同时,条栅结构表面不同润湿方向上的接触角则与固体表面粗糙度系数呈正相关;此外,各样品表面垂直于条栅结构方向的动/静态接触角均大于平行方向(即θ_(⊥)>θ_(∥)),且不同润湿方向上接触角的差异随样品表面润湿性的增强而减小。动态接触角测试结果还表明:表面接触角滞后(Δθ=θ_(a)-θ_(r))与表面面积分数呈正相关,而与表面粗糙度系数呈负相关,且前进与后退接触角的预测值与试验值基本吻合,说明动态接触角能够真实地反映固体表面润湿性;此外,在液滴滚动时,其运动行为总是周期性地发生后端接触线先从固体表面分离,而后液滴重新与固体表面发生黏附形成新的前端接触线的过程,这种运动特性在不同条栅结构表面上完全相同。润湿三相接触线行为测试结果表明:液滴在条栅结构表面优先沿着条栅结构方向润湿或去润湿,而跨越条栅结构润湿时,受表面微结构的“钉扎”作用,润湿半径远小于平行润湿方向,且三相接触线在不同条栅结构表面的移动均呈现“解钉—钉扎—再解钉—再钉扎”的一种断续周期性过程。研究结果深化了矿物颗粒表面物理形貌结构对其润湿行为特性的影响,可为后续通过表面形貌调控颗粒表面润湿性起到一定的理论支撑作用。

考虑弹流润滑效应的三点接触球轴承刚度特性分析

为获得润滑状态下三点接触球轴承更为准确的刚度特性,应考虑弹流润滑效应对轴承刚度的影响。文中基于拟静力学模型考虑高速离心力和陀螺力矩效应,根据给定轴承的结构参数和工况,计算滚动体与内外圈的法向接触载荷和各部件的运动速度。将拟静力学模型的计算结果和润滑介质参数代入弹流润滑模型,求解出滚动体与内外圈之间的压力分布和油膜厚度分布。进一步研究了转速、轴向载荷和润滑油的初始黏度对油膜压力和最小油膜厚度的影响。基于弹流润滑理论分析了转速和轴向载荷对轴承接触刚度、油膜刚度及综合刚度的影响。结果表明:转速的提高会大幅增加润滑油膜的整体厚度;润滑油初始黏度的增大会增加油膜厚度;随着轴承转速的提高,轴承的整体轴向刚度和轴向油膜刚度减小;随着轴向载荷的增大,轴承轴向刚度和轴向油膜刚度增大,且差值变化不大。

Contact Force Distribution and Static Load-carrying Capacity of Large Size Double Row Four-point Contact Ball Bearing

Clearance not only affects the startup torque,rotation precision and stiffness of bearing,but also affects the load distribution,load-carrying capacity and life of bearing.A computational model in which the clearance of bearing is first included is presented for determining the contact force distribution and static load-carrying capacity of a double row four-point contact ball bearing which is subjected to the combined radial,axial and overturning moment loadings.The relation between the negative axial clearance and the contact force distribution is analyzed.The static load-carrying capacity curves are established,and the effects of the changes in negative axial clearance,curvature radius coefficient of raceway groove and initial contact angle on the static load-carrying capacity are analyzed.The results show that,with the increase in the absolute value of negative clearance,the maximum contact load decreases first and then increases.The clearance values in the range of 0.2 mme0 mm have little effect on the static load-carrying capacity of bearing.With the increase in the curvature radius coefficient of raceway groove and the decrease in the initial contact angle,the static load capacity of bearing decreases.

民用飞机门框止动块接触偏移的可靠性分析

民用飞机门框止动块是传递舱门载荷到机身结构的重要组件,止动块与止动钉的接触状态很大程度会影响载荷传递效率及结构可靠性。在舱门止动钉与止动块配合过程中,止动钉在接触面相对止动块会存在偏离理想设计接触状态的情况。为了评估面内接触偏移因素对止动块承载强度可靠性的影响情况,基于Isight平台集成ABAQUS软件和疲劳强度计算工具,通过量化接触偏移随机变量及其分布模型,采用蒙特卡罗法对随机变量抽样,形成一套参数化自动分析流程。经过多次循环抽样模拟计算,结合强度及疲劳计算准则分析接触面内偏移对止动块静强度、疲劳强度可靠性的影响规律。结果表明:在给定允许接触偏移量范围内,止动块的静强度、疲劳强度可靠性较高,超过3σ原则要求的99.73%,验证了止动块结构设计的合理性,该参数化自动计算流程可为机身结构的可靠性分析提供参考。

高温界面接触热阻试验

飞行器组件之间不可避免地存在接触热阻,接触热阻的准确获取对热结构细节设计至关重要。针对高温、高压同时作用下接触热阻测量的难题,基于静态热流法自主研制了高温界面接触热阻测量装置。该装置能够有效测得给定界面压力、最高热面温度1500℃固体结构界面间的接触热阻。利用该装置,成功开展了三类热结构组件高温界面接触热阻测量试验,获得了压力、温度和界面粗糙度对结构界面接触热阻的影响规律。试验结果表明,测量装置稳定可靠、温度和压力载荷模拟精度高、试验易实施,试验结果可以为飞行器热结构设计与工程应用提供依据。

粉末材料静态接触角测试制样方法

针对粉末材料常规压片制样法在静态接触角测试中易产生溶液渗透的问题,借鉴动态薄层毛细渗透技术,提出了适用于静态接触角测试的单层颗粒制样法。分别采用压片制样法与单层颗粒制样法,将Stober法制备的二氧化硅颗粒进行静态接触角测试。测试结果表明,单层颗粒制样法在粉末材料静态接触角测量上表现更加稳定,有效降低了压片颗粒间毛细管效应以及断裂缝隙带来的测试干扰。

一种摩擦力演示装置设计

摩擦力是一种常见的力,同时也是一种多因素共同决定的力。很多人认为摩擦力的概念抽象而不容易理解,尤其是摩擦力的大小与接触面的关系问题。为了辅助摩擦力教学,设计了一台摩擦力演示装置。同时介绍了该演示装置的设计原理、装置构成、制作方法以及仪器的详细使用方法。它适用于学生做基础的摩擦力验证实验。

RFreeTrack:基于差分相位全息图的RFID非接触式鲁棒定位系统

针对复杂室内环境非接触式RFID目标定位误差大的问题,提出了RFreeTrack系统,其使用商用RFID设备计算出目标反射信号,实现了复杂环境下高精度非接触式目标定位。首先,提出了一种基于时间序列相似度的搜索方法用于校准静态信号,从而显著增强了目标反射信号提取的鲁棒性。然后,提出了基于差分相位全息图的非接触式定位方法,排除阅读器天线位置的影响,提升了定位准确度,降低了系统的部署难度。最后,实现了一个高精度的非接触式定位系统原型。实验表明,在复杂环境中使用校准后的静态信号提取出的目标反射信号相位,相较于现有方法误差降低了68.8%。基于校准过的静态反射信号,在复杂环境中使用差分相位全息图的定位误差平均值为0.040 8 m,相较于现有方法提升了50.6%。

混凝土3D细观模型及准静态力学行为分析

混凝土是应用最广泛的建筑材料,在细观尺度上由砂浆、粗骨料和界面过渡区(Interface Transition Zone,ITZ)组成,建立3D细观模型是揭示荷载作用下混凝土材料内部损伤机理的重要研究方法。基于传统的“生成-投放”法建立空间随机分布的随机凸多面体粗骨料模型,并提出骨料重力沉降和粒径缩放建模方法,实现了粗骨料体积率在50%范围内可调控;采用四面体网格划分多面体粗骨料以表征其真实形状;采用等效于零厚度粘结单元的粘结接触表征ITZ,解决了20μm~50μm厚度ITZ的网格划分问题;采用RHT材料模型表征砂浆和骨料,建立了混凝土3D细观有限元模型。随后开展了准静态单轴压缩、单轴拉伸、劈裂拉伸、双轴加载和三轴压缩条件下混凝土试件力学行为的有限元模拟。通过与试验应力-应变关系和试件破坏模式进行对比,验证了所建立的混凝土3D细观有限元模型的可靠性。进一步分析了砂浆、骨料和ITZ的强度,以及骨料粒径和体积率对混凝土单轴压缩力学性能的影响。结果表明增大砂浆强度可显著提高混凝土强度,而骨料和ITZ强度的影响较小;增大砂浆强度和ITZ强度可使混凝土峰值应变显著增大,而增大骨料强度导致混凝土峰值应变略有减小;降低粗骨料体积率和增大骨料最大粒径均可使混凝土强度略有增大且峰值应变减小。

新型行星式回转支承动力学特性研究

传统单齿轮式回转支承存在偏载、传动精度低和非正常磨损等问题,无法满足坦克及火炮系统等高负载装备对回转支承高精度,长寿命的要求。结合行星式传动与回转轴承的特点,设计了一种新型行星式回转支承,并进行了力学性能研究和理论验证。基于Hertz接触理论,考虑接触弹性变形与实际接触角的耦合作用,推导了回转轴承在纯轴向载荷下的力学平衡方程。考虑倾覆角度与径向位移的耦合作用,建立了联合载荷下回转轴承的力学模型,运用Newton-Raphson迭代方法对回转轴承精确的接触角、最大载荷和载荷分布规律等进行了数值计算。运用ADAMS仿真平台,考虑钢球和套圈滚道的四点动态接触作用和轮齿动态啮合作用,分别建立了回转轴承、单齿轮式回转支承和新型行星式回转支承的多体接触动力学仿真模型,计算分析了3种模型的动态啮合力、动态接触力和振动位移等动态特性和振动响应。结果表明:回转轴承的接触角和载荷分布规律等仿真结果与精确的理论结果具有较好的一致性。研发的新型行星式回转支承呈现平衡对称和均载分布的周期性啮合力和轴承内部接触力,消除了单齿轮式回转支承的啮合冲击和偏载现象,显著降低轮齿啮合力、轴承内部载荷和系统振动响应,提高了行星式回转支承的传动力学性能和运动平稳性。提出的新方案和动力学模型为研发高性能军事装备的新型回转支承产品及其动态设计提供了理论指导。

子午线轮胎静态力学特性的有限元仿真

以205/55R18子午线轮胎为例,采用有限元仿真方法分析子午线轮胎的静态力学特性。建立有限元模型,并验证该模型的可靠性,在此基础上分析径向负荷、充气压力和接地摩擦因数对轮胎接地压力、纵向刚度和横向刚度的影响。结果表明:轮胎的径向负荷增大时,轮胎的接地压力、纵向刚度和横向刚度相应增大;轮胎的充气压力增大时,轮胎的接地面积减小,接地压力和刚度增大;通过增大摩擦因数可以提高轮胎的接地性能和操控性能,但摩擦因数的影响程度相比于径向负荷和充气压力较小。

基于改进球轴承拟静力学算法的多轴承支承轴系模型

针对传统球轴承拟静力学模型计算精度低以及收敛困难的问题,提出了根据球与沟道接触状态修正迭代初值的改进算法,在此基础上采用考虑剪切变形的铁摩辛柯梁单元建立轴承在定位预紧、定压预紧下与轴的耦合模型,并以某3套角接触球轴承支承的轴系为研究对象,将所提出的多轴承支承轴系模型与Romax仿真结果对比,轴系变形和轴承支反力一致性较好,证明了模型的正确性,同时相比传统拟静力学模型,改进模型大大提高了轴系在不同工况下的收敛性。

智慧小型断路器操作机构设计与分析

针对智慧小型断路器,绘制机构运动简图,并调整操作机构四连杆尺寸,分析操作机构的运动轨迹。结合静力学分析操作机构在某些状态位置的受力情况,计算智慧小型断路器触头参数(开距、超程、终压力、驱动单元力),为其操作机构的设计与分析提供一种新的方向。

一种转辙机新型接点的研发与应用

作为转辙机内部与外部联锁系统进行信号状态传输的关键设备,转辙机接点能否正确传递并表示出道岔位置状态,对行车安全具有重要意义。针对传统转辙机排布式接点易断开、磨损大、清洁难等缺点,提出采用模块化设计思路研发新型接点。该新型接点主要由运动机构、静接点组件、动接点组件等构成,由转辙机锁闭块先带动运动机构上的动作臂转动,再带动后方同轴的动接点组件运动,实现动接点在静接点组件的左右切换,从而改变接点开关闭合状态。新型接点采用集成式设计结构,缩小其在转辙机内部的占用空间;通过V型和圆锥型设计,提高抗振性能;动接点与静接点以差动旋入式相接触,使动接点环周圈磨耗保持一致,延长接点寿命;在动接点环上方设计防尘防护罩,提高接点的可维护性。经过电寿命试验、振动试验,以及实验室环境验证,新型接点符合相关技术条件并满足设计需求。

基于FTIR的复合绝缘子憎水迁移性研究

憎水迁移性是判断复合绝缘子老化程度的重要指标。为了研究伞裙的憎水迁移性和绝缘子伞裙各个维度的老化程度之间的关系,对不同运行年限的复合绝缘子进行伞裙不同位置和伞裙上表面不同径向位置的憎水迁移试验,并对不同运行年限的复合绝缘子进行伞裙不同位置、伞裙上表面不同径向位置及伞裙内外层的FTIR试验,探究硅橡胶化学基团对憎水迁移性的影响。试验结果表明:高压端的憎水迁移性明显低于中压端和低压端,而对于伞裙上表面边沿、中部和根部的憎水迁移性,不同运行年限的径向位置分布规律存在差异。不同运行年限下,相比于低压端和中压端,高压端的有机官能团均出现不同程度的下降,且不同运行年限下不同径向位置的官能团吸收峰的高低也表现出不同的规律。

一种40 .5 kV大容量交流金属开关设备研发

研发一种新型40.5 kV大容量高压开关设备,适用于电网电流大、分断能力高的配用电场所。在现有产品的基础上创新设计,重新开发了核心元件大容量真空灭弧室及配套驱动单元弹簧机构,全面系统地解决整柜的绝缘及温升问题,成功研发出40.5 kV电压等级里参数最高的高压开关设备,产品已在光伏发电工程项目中获得应用,市场前景良好。