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活塞裙部仿生孔形结构优化设计及有限元分析

活塞裙部仿生孔形结构优化设计及有限元分析

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作者：闫振吉林大学

学位级别：硕士

目前汽车保有量日益增长,发动机是汽车的重要部件,其性能的改进研究具有较高的经济与社会效益。活塞作为发动机的关键零部件,与缸套组成发动机的主要往复运动摩擦副,其中活塞裙部的磨损是造成发动机失效的主要因素之一,因此增强活塞裙... 详细信息

目前汽车保有量日益增长,发动机是汽车的重要部件,其性能的改进研究具有较高的经济与社会效益。活塞作为发动机的关键零部件,与缸套组成发动机的主要往复运动摩擦副,其中活塞裙部的磨损是造成发动机失效的主要因素之一,因此增强活塞裙部耐磨性对提高发动机的使用寿命具有重要意义。发动机活塞裙部的设计与改进主要集中在活塞裙部材料和活塞裙部结构两个方面,其中活塞裙部材料研究主要有传统铝合金和铸铁材料的优化设计及新型材料的开发应用;而活塞裙部结构研究主要有传统活塞裙部表面形貌的优化和活塞裙部整体结构的改进设计。但是传统的设计方法在提高活塞性能方向能力有限,新型材料的成本较高,不利于其推广应用,而采用仿生非光滑理论,在活塞裙部加工仿生孔形结构能够较好的提高活塞裙部摩擦副的耐磨性,且成本较低,具有较好的应用前景。在活塞裙部加工孔可以有效提高活塞耐磨性,但是目前的研究仍然集中在提出设计思想,孔的尺寸、分布和类型对活塞整体及活塞裙部特性的综合影响规律没有得到探索,仿生孔形活塞结构参数优化设计方法也需要进行有效的分析与研究,因而仿生孔形活塞优化设计方法的研究具有较高的价值与实际意义。发动机台架试验的成本较高,且实车实验周期较长,采用模拟试验优化活塞结构能够减少试验数量,降低成本。随着计算机技术的进步和数值计算方法计算精度的日益提高,模拟分析技术在活塞设计研究中也得到了应用,尤其是有限元模拟技术的应用比较成熟。其中有限元结构分析、热力学分析及热-结构耦合分析以其良好的适应性,能够在活塞设计中取得较准确的特性参数,为优化活塞的结构参数提供依据。本文设计的仿生孔形活塞因为涉及的结构参数较多,如果仅从试验角度进行优化分析,需要的试验量较大,成本较高。因此选用有限元模拟技术,从分析活塞的结构特性及热-结构耦合特性出发,实现初步探索仿生孔的尺寸、分布和类型对活塞结构特性和热-结构耦合特性的影响规律,并优化仿生孔形活塞的结构参数,从而确定具有综合最优结构特性和热-结构耦合特性的仿生孔形活塞结构参数。为促进仿生孔形活塞的推广应用,本文选用普及程度较高的捷达汽车发动机,并以捷达RSH1.6L发动机活塞为标准原型活塞进行结构改进,以活塞启动工况和正常工作工况为分析工况,计算活塞裙部最大受力和正常热态温度载荷,为有限元结构分析与热-结构耦合分析提供边界条件。在活塞侧压力载荷最大的条件下,活塞裙部的结构特性和热-结构耦合特性数据可以更准确反映活塞裙部的结构特性和热-结构耦合特性。为全面研究仿生孔的不同孔径、分布和类型对活塞裙部结构的影响规律,本文从孔的尺寸、分布和类型三个方面设计仿生孔形活塞;采用有限元结构分析和热-结构耦合分析方法分析活塞的结构特性和热-结构耦合特性,设计出具有综合最优结构特性和热-结构耦合特性的仿生孔形活塞。主要研究工作如下: (1)发动机工况分析及其载荷计算以发动机启动工况和正常工作工况为研究对象,从准确验证活塞的结构和热-结构耦合特性出发,计算活塞裙部的侧压力载荷和温度载荷,建立活塞裙部侧压力载荷的三维空间分布函数和活塞标准温度区间的温度载荷,为有限元分析提供准确的边界条件。 (2)标准活塞有限元分析采用逆向工程技术,获取标准活塞点云数据,建立标准活塞CATIA实体模型,并应用ANSYS建立其有限元模型,根据发动机工况分析数据包括活塞裙部侧压力载荷及温度载荷的计算结果,对标准活塞进行结构分析、热力学分析及热-结构耦合分析,为仿生孔形活塞的设计提供依据。 (3)仿生孔形活塞结构形态设计及有限元分析根据标准活塞有限元分析结果和活塞的二阶摆动,在保证活塞裙部的应力分布和活塞裙部表面的楔形油膜的基础上,分别以不同的孔径、孔的分布和孔的类型设计仿生孔形活塞。针对不同的仿生孔形活塞模型计算活塞的侧压力载荷分布公式,对仿生孔形活塞进行结构分析、热力学分析和热-结构耦合分析。 (4)仿生孔形活塞结构参数的多目标优化为较全面的分析仿生孔形活塞的结构参数对活塞结构特性和热-结构耦合特性的影响规律,选择能够较好的反映活塞结构特性及热-结构耦合特性的参数为目标变量,采用多目标综合平衡法分析仿生孔形活塞的综合最优结构及热-结构耦合特性。通过以上工作,本文建立了捷达RSH1.6L发动机标准活塞裙部的最大侧压力载荷分布函数,建立了该标准活塞的温度载荷分布模型;建立了9种不同孔径、分布和类型的活塞模型,并建立了仿生孔形活塞的侧压力载荷分布函数;对9种仿生孔形活塞模型进行了结构分析、热力学分析和热-结构耦合分析,提取了9种仿生孔形活塞模型的结构特性参数和热-结构耦合特性参数;研究了孔径、分布以及孔的类型与活塞的各个特性参数目标变量之间的关系;采用多目标综合平衡分析法,分析了9种仿生孔形活塞模型的结构特性和热-结构耦合特性,确定了具有综合最优结构及热-结构耦合特性的仿生孔形

关键词：活塞活塞裙部仿生孔形活塞优化设计有限元分析

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拖拉机提升系统下线检测液压加载试验台的研制

拖拉机提升系统下线检测液压加载试验台的研制

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作者：李凯吉林大学

学位级别：硕士

随着中国制造2025和十二五及十三五计划的推进和实施,农业机械化被上升到十大战略计划,我国的农业机械化水平实现高效快速发展,拖拉机在农业机械中占有非常庞大的比重。对拖拉机来说,悬挂系统的提升能力和安全可靠性对拖拉机整机使用性... 详细信息

随着中国制造2025和十二五及十三五计划的推进和实施,农业机械化被上升到十大战略计划,我国的农业机械化水平实现高效快速发展,拖拉机在农业机械中占有非常庞大的比重。对拖拉机来说,悬挂系统的提升能力和安全可靠性对拖拉机整机使用性能稳定性起着重要的作用。因此,对拖拉机提升系统提升能力进行下线检测,对于判断拖拉机整机制造质量是否合格至关重要。拖拉机液压悬挂提升承载性能的检测是拖拉机重点检测环节,现阶段国内外的检测标准和检测试验基本是对拖拉机出厂性能进行检测,即针对拖拉机悬挂系统最大提升力、运动行程、静沉降等指标进行试验检测,检测试验准备周期和检测周期长、劳动强度大、且自动化程度低。而目前对于拖拉机提升系统的下线检测,即对提升系统额定提升力、提升行程、提升时间、提升次数和静沉降关键指标的全面检测缺乏相应的国家标准和成熟的方法。因此,本论文针对洛阳市某生产企业的要求,研究和设计了一套先进高效,检测指标全面的拖拉机提升系统下线检测液压加载试验平台。本试验台采用高效安全的液压加载方式、根据杠杆原理进行快速挂接、利用PLC自动化电控操控手段,能对不同型号不同功率拖拉机进行高效快速检测,检测范围涵盖提升系统额定提升力、提升行程、提升时间、提升次数和静沉降全面检测的指标,为拖拉机质量检测技术的研究提供参考依据。本文主要内容包括以下几个部分:（1）通过对拖拉机提升系统检测试验需求的研究,结合拖拉机工作情况和现有的开发经验,对设计的液压加载试验台工作原理和实际工况要求做了阐述。从不同的角度进行加载试验台方案的设计,对设计方案进行了评估和分析选择最终合适的设计方案,并利用UG对加载试验台的机械结构进行三维模型建立,完成试验台的总体结构设计。（2）加载试验台主要由机械电控装置和液压系统组成,其中液压加载系统是整个试验台的动力源以及主要的工作执行装置。因此,对于液压加载系统的设计、整个试验台的兼容配合度、以及液压泵站的安全节能性决定了整个试验台的使用效率与稳定性,本论文对液压系统进行设计,绘制原理图以及电控中的液压元件执行表,并对其原理和功能进行总体说明。（3）基于液压系统的设计,利用Amesim建立了试验台液压系统模型,选定合适的子模型及设定参数得到液压加载缸和电磁阀的工作曲线图,并对所得到的仿真结果进行分析,验证试验台的液压系统可靠性。（4）电控是整个液压加载试验台的控制中心,本文对试验台的电控装置进行设计,通过电控装置控制液压泵站为试验台提供动力,利用电控装置控制电机、电磁比例溢流阀和和电磁换向阀,从而控制液压缸的加载和试验动作,完成对电控系统的分析和设计。（5）完成试验台的搭建、安装和试验方法步骤的设计,对拖拉机悬挂总成进行提升能力的检测试验,并对设计的拖拉机提升系统下线检测试验台的性能进行评价。

关键词：拖拉机提升系统下线检测液压加载试验台 Amesim

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家燕羽毛表面结构与翅翼翼型气动特性研究

家燕羽毛表面结构与翅翼翼型气动特性研究

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作者：刘玉荣吉林大学

学位级别：硕士

鸟类经过亿万年进化具有优良的飞行特性，翅膀宽大的鸟类由于其翅膀与空气接触面积大，在飞行时可提供较大升力;翅膀狭长的鸟类，由于翅膀展向较大且成梭形，使其飞行过程中具有较小的阻力，可实现长距离的滑行，飞行效率极高。鸟类优... 详细信息

鸟类经过亿万年进化具有优良的飞行特性，翅膀宽大的鸟类由于其翅膀与空气接触面积大，在飞行时可提供较大升力;翅膀狭长的鸟类，由于翅膀展向较大且成梭形，使其飞行过程中具有较小的阻力，可实现长距离的滑行，飞行效率极高。鸟类优良的飞行特性由其翅膀羽毛结构及翼型形态决定，其中翼型是决定其飞行效率高低的关键因素，鸟类翼型的研究对于风力发电机叶片、飞机机翼等靠流体工作的关键部件具有重要的仿生学意义和应用前景。本文以家燕为研究对象，对家燕的羽毛特性进行了分析，获取了家燕羽毛结构与飞行特性之间的关系。家燕羽毛的羽轴和羽片组成结实而有弹性的羽片，可以减小空气阻力，增加鸟体浮力;羽毛具有较强的疏水性及各向异性，有利于水滴滚落，去除鸟体污物，降低飞行阻力，实现快速飞行。通过对家燕运动学分析获得了家燕滑翔时常见的两种翅翼形态：后掠形翅翼和完全展开形翅翼。利用逆向工程技术截取了两种翅翼展弦比为25%、30%、35%、40%、45%、50%的翼型，并获取了翼型的几何参数。利用ICEM软件对所提取的翼型进行网格划分，用FLUENT软件对其在雷诺数为6×10、8×10，攻角为05°的条件下进行了气动特性的数值模拟仿真分析，结果表明：家燕完全展开形翅翼展弦比为25%的翼型和家燕后掠形翅翼展弦比为35%的翼型具有最优的气动特性，雷诺数Re=6×10时，家燕完全展开形翅翼展弦比为25%的翼型升力系数比标准翼型提高1.4倍，升阻比比标准翼型提高了30%，家燕后掠形翅翼展弦比为35%的翼型的升力系数比标准翼型提高了1.2倍，升阻比比标准翼型提高了48%;当Re=8×10时，家燕完全展开形翅翼展弦比为25%的翼型升力系数比标准翼型提高了1.4倍，升阻比比标准翼型提高了22.5%，家燕后掠形翅翼展弦比为35%的翼型的升力系数比标准翼型提高了1.03倍，升阻比比标准翼型提高了48%。对生物翼型提高气动性能的机理进行分析发现：(1)翼型具有较小的厚度与前缘半径，使得翼型迎风面积小，阻力小;(2)翼型的静压曲线所形成面积较大，翼型具有较大的升力;(3)翼型的最大厚度靠近后缘，能够推迟失速现象的发生，使其能量损失小，效率高。采用雕刻机对具有代表性的家燕翼型和标准翼型进行加工，利用小型风洞实验台对翼型进行了气动特性测试实验，实验结果表明在不同的风速下家燕完全展开形翅翼展弦比为25%的翼型和家燕后掠形翅翼展弦比为35%的翼型的气动特性最优，在不同的风速下也具有良好的适应性，验证了数值模拟实验的正确性。这两种优良翼型的获取为以后翼型的提取提供了一种有效的方法，具有指导性意义。

关键词：家燕翼型气动特性羽毛特性数值模拟风洞实验

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蝴蝶翅膀表面的疏水性与自清洁性研究

蝴蝶翅膀表面的疏水性与自清洁性研究

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作者：陈广化吉林大学

学位级别：硕士

本文在大量实验的基础上,对7 科33 种1000 多只蝴蝶翅膀表面的的润湿性进行了研究。用蒸馏水、甲醇、油脂、酸碱等具有不同表面张力的液体对不同种类的蝴蝶翅膀表面的疏水性与自清洁性进行了定性和定量分析,对蝴蝶翅膀表面的静态接触角... 详细信息

本文在大量实验的基础上,对7 科33 种1000 多只蝴蝶翅膀表面的的润湿性进行了研究。用蒸馏水、甲醇、油脂、酸碱等具有不同表面张力的液体对不同种类的蝴蝶翅膀表面的疏水性与自清洁性进行了定性和定量分析,对蝴蝶翅膀表面的静态接触角和滚动角进行测量,计算了蝴蝶翅膀表面的自由能,进行了抗污性实验,并对蜻蜓翅膀、贝壳表面进行了对比实验。用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)与OCA20 视频光学接触角测量仪对蝴蝶翅膀表面的厚度、鳞片的组成情况进行了研究,测量了蝴蝶翅膀鳞片的大小及单个鳞片的形状与纳米微观结构。研究了翅膀的润湿性与自清洁性。用Wenzel 和Cassie 的理论分析了蝴蝶翅膀表面整体组合结构以及鳞片自身的微观结构与疏水性、自清洁性之间的关系。

关键词：蝴蝶鳞片疏水性自清洁性荷叶效应非光滑表面

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仿生条纹形泥浆泵活塞耐磨密封性能研究

仿生条纹形泥浆泵活塞耐磨密封性能研究

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作者：乔静波吉林大学

学位级别：硕士

泥浆泵易损件的使用寿命对泥浆泵的使用性能有着至关重要的作用，直接影响到了钻井效率。泥浆泵活塞在易损件中占有很大的比例，所以对泥浆泵活塞进行研究十分必要。泥浆泵活塞的失效形式主要是磨粒磨损和挤伤，影响泥浆泵活塞失效的因... 详细信息

泥浆泵易损件的使用寿命对泥浆泵的使用性能有着至关重要的作用，直接影响到了钻井效率。泥浆泵活塞在易损件中占有很大的比例，所以对泥浆泵活塞进行研究十分必要。泥浆泵活塞的失效形式主要是磨粒磨损和挤伤，影响泥浆泵活塞失效的因素有摩擦热、活塞间隙、泥浆、缸套质量、泵压和冲次。为了对泥浆泵活塞进行深入研究，本文对BW-160型泥浆泵的工作原理进行了分析，通过活塞的运动规律，推导出活塞的运动位移和速度，并对活塞皮碗进行了静态和动态两种情况下的受力分析。本文依据仿生非光滑耐磨理论，设计了仿生条纹形活塞，进行了仿生活塞耐磨密封试验。试验结果表明，合理的条纹结构可以提高活塞的使用寿命，最大提高寿命78.7%，而不合理的条纹结构也会降低活塞的使用寿命，最大降低寿命63.7%。为了对仿生活塞的结构参数进行优化，利用极差分析法分析各个因素对活塞使用寿命的影响，再采用多元正交多项式回归分析法获得了回归方程。通过对9种仿生活塞使用寿命的极差分析，确定了试验的主次因素A、B，最优组合A2B2，即条纹宽度为4.5mm，条纹间距为5.0mm。试验中发现，泥浆泵活塞与缸套的接触面积对活塞的使用寿命也有很大影响，为了需求最优接触面积进行了补充验证试验，试验结果表明，活塞与缸套最优的接触面积为73.5%。为了寻求仿生活塞最优结构参数，对仿生活塞表面的条纹数目做了进一步的研究。利用ABAQUS对不同条纹数目的仿生活塞进行受力分析，发现条纹数目为3的仿生活塞受力最为合理，并对条纹数目为3的仿生活塞进行了试验验证。条纹数目为3的仿生活塞的平均使用寿命为81.3h，使用寿命提高了78.7%。最终得到仿生活塞的最优结构参数为条纹数目为3，条纹宽度为3mm，条纹间距为3mm。为了对仿生活塞的耐磨密封机理进行研究，本文利用ABAQUS有限元分析软件对标准活塞和仿生活塞的运动过程进行了分析。通过活塞根部的Mises应力和活塞唇部的接触应力的对比分析可知，仿生活塞唇部的接触应力较大，根部的Mises应力较小。这种受力结构有利于增大活塞唇部的密封性，减小活塞根部的磨损。耐磨密封机理主要总结为3个方面：（1）仿生活塞表面的非光滑结构改变了活塞的受力情况;（2）仿生活塞条纹结构有存储润滑脂的作用;（3）仿生活塞条纹结构有存储磨粒的作用。

关键词：泥浆泵活塞仿生耐磨密封

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基于生物翼型的小型水平轴风力机叶片仿生设计及试验研究

基于生物翼型的小型水平轴风力机叶片仿生设计及试验研究

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作者：刘方圆吉林大学

学位级别：硕士

基于生物翼型的小型水平轴风力机叶片仿生设计及试验研究随着世界性能源紧缺和环境危机，风能作为一种取之不尽用之不竭的可再生绿色能源，受到世界各国广泛重视。目前，风力机风能利用率约为35%左右，距贝茨理论提出的极限值59.3%仍... 详细信息

基于生物翼型的小型水平轴风力机叶片仿生设计及试验研究随着世界性能源紧缺和环境危机，风能作为一种取之不尽用之不竭的可再生绿色能源，受到世界各国广泛重视。目前，风力机风能利用率约为35%左右，距贝茨理论提出的极限值59.3%仍有很大的可提高空间。风力机是风力发电的主要设备，而叶片又是风力机的关键部件，直接影响风力机的效率。叶片由一系列翼型按照特殊的序列旋转排列而成，翼型的气动性能及其排列方式对叶片的气动性能有着重要的影响。本文选取25%家燕翼型、35%家燕翼型、50%长耳鸮翼型、50%海鸥翼型四种仿生翼型。采用S-A模型，在100W小型水平轴风力机运行工况下分析不同攻角下仿生翼型和标准翼型的气动特性，结果表明：在0～20°攻角范围内，选取的仿生翼型升力系数和升阻比特性与标准翼型相比，均有较大程度提高，且失速攻角较标准叶片大，具有优良的气动特性。论文重构了100W标准风力机叶片，并根据以上研究成果，结合仿生翼型构建了6组仿生风力机叶片，分别是：25%家燕翼型改进叶片、35%家燕翼型改进叶片、50%长耳鸮翼型改进叶片、50%海鸥翼型改进叶片、50%长耳鸮翼型设计叶片和50%海鸥翼型设计叶片。对仿生叶片和标准叶片进行对比分析，强度特性模拟分析结果表明：仿生叶片最大等效应力小于标准叶片，强度性能满足设计要求。气动特性数值模拟分析结果表明：仿生叶片表面压力、距离叶根为0.4m与0.5m处翼型上下表面压力差均大于标准叶片，其中25%家燕翼型改进叶片、35%家燕翼型改进叶片和50%海鸥翼型改进叶片提高最为明显。为准确测试标准叶片和仿生叶片的实时输出功率，本文搭建了室内风力机效率测试试验台，对叶片效率进行测试。试验结果表明，50%长耳鸮翼型设计叶片在整个测试风速范围内效率没有得到提高;50%海鸥翼型设计叶片在风速大于7m/s时，叶片效率较标准风力机叶片平均提高9.5%，最大提高13.58%;50%长耳鸮翼型改进叶片在低风速下输出功率略有提高，在风速小于6.4m/s时平均提高5.92%，最大提高8.66%;在整个测试风速范围内，25%家燕翼型改进叶片、35%家燕翼型改进叶片、50%海鸥翼型改进叶片较标准叶片效率普遍提高，分别提高25.00%、26.48%和25.77%。

关键词：风力机仿生叶片翼型气动特性

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水蛭吸盘高性能吸附机理研究与仿生吸盘设计

水蛭吸盘高性能吸附机理研究与仿生吸盘设计

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作者：徐金吉林大学

学位级别：硕士

随着我国工业生产和自动化水平的不断提高,真空设备得到越来越广泛的应用,高性能真空吸盘的研制在工业制造中的重要性也日益凸显,因此,提高吸盘自身的吸附力及密封性能,研制出可靠性高、吸附性能强的新型吸盘具有十分重要的意义。自然... 详细信息

随着我国工业生产和自动化水平的不断提高,真空设备得到越来越广泛的应用,高性能真空吸盘的研制在工业制造中的重要性也日益凸显,因此,提高吸盘自身的吸附力及密封性能,研制出可靠性高、吸附性能强的新型吸盘具有十分重要的意义。自然界中的许多生物在长期适应生存环境的过程中进化出了性能优越的吸盘结构,这些生物吸盘不仅吸附力强,并且具有极强的表面适应性,基于这些生物吸盘的吸附机理开发具备高吸附性能的仿生吸盘具有重要意义。水蛭作为一种典型的多吸盘生物,喜欢吸附于河岸边的草丛或石块底部等各种粗糙的表面上,并能够利用其首末两端的吸盘进行尺蠖式爬行。本文以工程仿生理论为指导,对水蛭吸盘的结构形态及其吸附能力进行了研究,并根据水蛭吸盘表面结构及形态特点对现有吸盘进行工程仿生设计,以求获得具备高吸附性能的仿生真空吸盘。本文对水蛭吸盘的高性能吸附机理进行了研究。利用体式显微镜与扫描电子显微镜对生物吸盘表面形态结构及剖面组织进行观察,观测发现水蛭吸盘表面存在大量的褶皱及直径为0.5-1.5μm的凹坑结构。对水蛭后吸盘的自主吸附、脱附过程及拉脱过程中的形态变化进行了对比分析。利用电子拉伸试验机对水蛭后吸盘在不同真空条件及不同粗糙度表面的吸附力进行了测试,测试发现真空负压在水蛭的吸附中起到了重要作用,并且水蛭在粗糙表面上依然具有良好的吸附性能。对水蛭在粗糙表面的吸附机理进行了分析,发现水蛭在粗糙表面的高性能吸附及密封为真空负压吸附、微米级凹坑结构吸附、粘液密封及组织变形密封共同耦合作用形成。基于水蛭吸盘的高性能吸附机理,对水蛭吸盘表面形态要素进行分析、提取。利用部分正交多项式回归设计方法制定仿生吸盘吸附力试验方案,并按照试验方案对仿生吸盘及其模具进行了建模与加工,最终获得9组仿生吸盘与1组用于对比试验的标准吸盘。对标准吸盘与仿生吸盘的吸附性能进行了测试,测试结果显示,仿生吸盘的吸附力均明显大于标准吸盘,其因素水平最优组合的吸附力相比于标准吸盘提高了接近50%。基于吸附力测试结果进行了极差分析与回归方程拟合,并利用拟合方程绘制了各因素水平对吸盘吸附力的响应曲面图,响应曲面显示:仿生吸盘的吸附力会随着半球形凹坑结构凹坑直径及排间距的增大而增大,而随半球形凹坑单排数量的增大而呈现出先增大后减小的趋势。为了研究仿生吸盘的性能提升的作用机理,通过有限元方法及ANSYS Workbench仿真平台对标准吸盘与仿生吸盘吸附状态下的受力状况进行了分析,并对标准及仿生吸盘的拉脱过程进行了观察。研究结果表明:仿生吸盘通过增大吸盘工作表面与基底表面之间的接触面积,利用半球形凹坑变形形成次级吸盘,让吸盘自身获得了更大的吸附力;通过提高吸盘与基底表面间的接触压力,提高吸盘的密封性能;通过增大吸盘与基底表面间的摩擦应力,半球形凹坑发生逐排脱附,减缓了拉力对吸盘密闭空间的破坏。

关键词：水蛭吸附机理表面形态凹坑结构仿生吸盘吸附力

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德国牧羊犬步态分析及运动仿真

德国牧羊犬步态分析及运动仿真

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作者：周鹏吉林大学

学位级别：硕士

本论文研究工作为建立理想仿德国牧羊犬运动模型,并验证模型可行性。首先研究德国牧羊犬生理结构及步态方式,分析影响德国牧羊犬步态运动的各种因素。使用VICON MX三维动态捕捉系统捕捉德国牧羊犬步态运动数据。在此基础上建立仿德国牧... 详细信息

本论文研究工作为建立理想仿德国牧羊犬运动模型,并验证模型可行性。首先研究德国牧羊犬生理结构及步态方式,分析影响德国牧羊犬步态运动的各种因素。使用VICON MX三维动态捕捉系统捕捉德国牧羊犬步态运动数据。在此基础上建立仿德国牧羊犬模型,本文主要将模型等效为多刚体杆件组合体,并结合多刚体动力学以及机器人运动学和动力学进行德国牧羊犬步态运动学分析和步态稳定性分析。在ADAMS提供的虚拟环境中建立仿真模型,将虚拟环境下的步态数据与试验获得数据进行比较,验证模型的可行性。

关键词：步态三维动态捕捉慢跑运动学动力学 ADAMS

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高密封性泥浆泵活塞的试验研究及机理分析

高密封性泥浆泵活塞的试验研究及机理分析

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作者：孙艺文吉林大学

学位级别：硕士

勘探和开采是能源生产的重要环节,随着我国对能源依赖程度的加大,钻探技术需要不断革新。泥浆泵是钻探设备的重要组成部分,它使钻探效率大大提升。活塞是泥浆泵中最容易失效的部件,活塞密封性能下降,高压砂粒参与到摩擦副运动磨损,使活... 详细信息

勘探和开采是能源生产的重要环节,随着我国对能源依赖程度的加大,钻探技术需要不断革新。泥浆泵是钻探设备的重要组成部分,它使钻探效率大大提升。活塞是泥浆泵中最容易失效的部件,活塞密封性能下降,高压砂粒参与到摩擦副运动磨损,使活塞快速失效,不仅停机更换影响钻探进尺速度,使缸套一同磨损,还可能导致井壁崩塌等严重事故,造成经济和财产的巨大损失,因此,提高泥浆泵活塞密封性能对于钻探技术的革新和行业生产力的提升至关重要。本文通过对泥浆泵活塞工作原理和受力情况的分析,设计基于非光滑和多级密封思想的条纹形高密封性泥浆泵活塞,以BW-160型泥浆泵活塞为试验对象,选择条纹深度和条纹与活塞侧面夹角两个试验因素,设计出9组参数的活塞表面结构。基于泥浆泵活塞密封性能试验研究的需求,搭建泥浆泵活塞性能检测试验台,试验台主要实现摩擦力检测、密封性能检测和密封接触观测三项试验目的。针对条纹形BW-160型泥浆泵活塞,在试验台上进行摩擦力检测和密封泄漏检测两方面的研究试验,针对试验结果中最优活塞进行寿命验证性试验。摩擦力试验中,条纹深度为2mm、夹角为90°的活塞摩擦力最小,摩擦减阻效果比标准活塞提高了53.89%,条纹夹角对摩擦力的影响大于条纹深度的影响;密封性能检测试验中,条纹深度为2mm、夹角为90°的活塞泄漏量最小,比标准活塞密封性能提升了90.79%。对最优参数的活塞与标准活塞在同样条件下进行寿命磨损试验,结果显示,最优的条纹活塞寿命比标准活塞提高了114.58%。为了揭示泥浆泵活塞的受力和应变情况,利用逆向工程和Workbench有限元分析等技术手段对正常工况下的泥浆泵活塞进行数值模拟,数值模拟结果显示,条纹结构能够优化活塞整体的应变状态,减小活塞内部、根部和唇口的应变集中,从而提升活塞整体性能;条纹结构能优化活塞表面的摩擦情况,将摩擦力集中部位分散到条纹结构边缘,减少唇口磨损;条纹结构能通过减小活塞根部的Equivalent应力值,改善活塞根部挤伤等情况;能够增加活塞唇口的接触压力,增强唇口密封性;在条纹结构处能实现接触压力多级增大,达到多级密封的效果。对BW-160型泥浆泵活塞的泄漏初期情况进行模拟,相对于标准活塞,条纹结构能够存储泄漏泥浆介质,降低泥浆的泄漏速度;通过透明缸套,在泥浆泵活塞性能检测试验台上进行接触观测和图像采集,条纹形结构能通过储存润滑脂和形变,增大活塞与缸套的接触密封面积,能在缸套上形成润滑膜改善摩擦性能,增强活塞密封性,减缓密封失效的发生。

关键词：密封泥浆泵活塞试验机理分析

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石墨烯光热功能表面的制备及其防除冰性能研究

石墨烯光热功能表面的制备及其防除冰性能研究

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作者：秦秀章吉林大学

学位级别：硕士

在低温高湿的环境中,冰极其容易附着在固体表面,冰附着并堆积在固体表面上会给工业生产和日常生活带来诸多损失和安全威胁。目前,传统的防除冰方法有机械类除冰、热融类除冰和化学类除冰。但上述方法存在效率低、浪费资源、易破坏材料表... 详细信息

在低温高湿的环境中,冰极其容易附着在固体表面,冰附着并堆积在固体表面上会给工业生产和日常生活带来诸多损失和安全威胁。目前,传统的防除冰方法有机械类除冰、热融类除冰和化学类除冰。但上述方法存在效率低、浪费资源、易破坏材料表面,甚至会污染环境等问题。近些年来,受自然界中荷叶的超疏水特性的启发,研究人员提出超疏水表面具有优异的延迟结冰性能并能够降低冰与表面的冰粘附力。但也有学者提出超疏水表面虽然具有优异的防除冰性能,但其在低温时,仍然会结冰。因此,设计出一种主-被动防除冰表面是目前防除冰领域研究的关键。随着环保意识的增强和对可再生能源的重视,太阳能作为一种绿色可再生能源受到了越来越多研究人员的重视。因此,本文将光热功能表面与超疏水表面结合,开发一种主-被动防除冰功能表面。具体内容如下:(1)本文采用简单的制备方法,分别制备出石墨烯光热涂层和石墨烯光热超疏水涂层。对所制备的石墨烯光热功能表面微观形貌进行表征,并且对涂层的润湿性、光热转换性能、耐磨性进行测试,研究了疏水改性后的纳米二氧化硅对石墨烯光热超疏水涂层光热转换性能的影响。石墨烯光热超疏水涂层的接触角最高可以达到162°,滚动角为2°,该涂层表现出了优异的超疏水性能。石墨烯光热涂层的接触角为129°。石墨烯光热超疏水涂层在进行50次循环的砂纸磨擦后,其接触角为150°,仍然具有超疏水特性。由于石墨烯具有优异的光热转换能力,当在室温条件下给予光照,石墨烯光热超疏水涂层和石墨烯光热涂层的温度在300 s内分别能够上升到63.65℃和62.33℃,具有优异的光热转换性能。(2)对石墨烯光热功能表面进行防冰性能测试并进行机理分析。石墨烯光热涂层具有良好的防冰性能,即使在-20℃,涂层仍然可以延迟水滴的冻结时间,达到防冰的效果。本文采用两种制冷方式对石墨烯光热功能表面进行防冰测试。首先是将水滴滴在样品表面,随后使样品表面的温度由室温分别降至-5℃、-10℃、-15℃和-20℃。当温度由室温降至-5℃时,石墨烯光热超疏水涂层上的水滴完全结冰时间为307 s,是铝表面的4.5倍。聚丙烯光热涂层上的水滴完全结冰时间为143 s,是铝表面的2倍。当温度由室温降至-10℃时,石墨烯光热超疏水涂层上的水滴的完全结冰时间为172 s,是铝表面的3.25倍。石墨烯光热涂层上的水滴完全结冰时间为81 s,是铝基底的1.5倍。当温度由室温下降到-15℃时,石墨烯光热超疏水涂层的完全结冰时间为170 s,是铝表面的2.7倍。当温度由室温下降到-20℃时,石墨烯光热超疏水涂层上的水滴完全结冰时间为119 s,是铝表面的3倍。当将水滴分别滴在-5℃,-10℃、-15℃和-20℃的冷表面时,石墨烯光热超疏水涂层上的水滴完全结冰分别是铝表面的7.9倍、3.7倍、3倍和2.3倍。同时,石墨烯光热超疏水涂层还具有良好的动态防冰性能。石墨烯光热涂层具有良好的防冰性能,即使在-20℃,涂层仍然可以延迟水滴的冻结时间,达到防冰的效果。(3)对石墨烯光热超疏水涂层和石墨烯光热涂层的除冰性能进行测试。石墨烯光热超疏水涂层和石墨烯光热涂层具有优异的光热除冰性能。当涂层表面温度为-5℃时,石墨烯光热超疏水涂层在265 s后冰块完全融化,石墨烯光热涂层在283 s后冰块完全融化。当涂层表面温度为-10℃时,石墨烯光热超疏水涂层上的冰块在285 s内完全融化。石墨烯光热涂层上的冰块在299 s内完全融化。当涂层表面温度为-15℃时,石墨烯光热超疏水涂层的冰块融化时间为345 s,石墨烯光热涂层的冰块融化时间为355 s。当环境温度为-20℃时,石墨烯光热超疏水涂层上的冰块融化时间为371 s。石墨烯光热涂层上的冰块融化时间为380 s。本文通过采用一种简便的合成工艺,将光热转化材料与低表面能物质进行结合,形成一种被动防冰与主动除冰相互结合的超疏水涂层。该方法为研制新型高效的防覆冰材料的研制奠定基础。同时,本文也将促进光热材料在抗结冰方面的进一步发展。

关键词：石墨烯光热超疏水涂层石墨烯光热涂层防冰性能除冰性能

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