仿生橡膠表面形貌增摩特性研究.pdf

1、在生物界，一些典型攀爬動(dòng)物的體表表面形貌具有天然的增摩防滑功能，將其應(yīng)用到生產(chǎn)生活領(lǐng)域中能夠解決大量的技術(shù)難題。在許多場(chǎng)合，提高設(shè)備的摩擦力可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率、安全可靠、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的提升。橡膠在生產(chǎn)生活領(lǐng)域中非常常見，是一類用量極大且非常重要的資源，研究仿生橡膠表面形貌的增摩特性，將其廣泛應(yīng)用于各類增摩防滑領(lǐng)域，比如輸送帶、汽車輪胎、橡膠鞋底等，對(duì)人類生產(chǎn)生活具有極其重要的意義。
　　本文利用掃描電子顯微鏡和超景深三維數(shù)碼顯微鏡VHX

2、-600等先進(jìn)儀器結(jié)合仿生技術(shù)，提取典型攀爬動(dòng)物體表表面形貌特征，如樹蛙足墊、蝗蟲足墊和蛇皮，以半球體凸起和橡膠材料分別模擬典型攀爬動(dòng)物體表非光滑表面形貌和柔性特征，以半球體凸起數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)不同行列數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的等高型仿生橡膠表面系列。
　　根據(jù)橡膠基礎(chǔ)理論，利用熱力學(xué)第一定律和第二定律，得到橡膠在大應(yīng)變條件下，其應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)呈現(xiàn)非線性關(guān)系;而在小應(yīng)變條件下，其任一時(shí)刻的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)一直呈現(xiàn)線性關(guān)系;橡膠在一般條件下，

3、屬于非線性粘彈性材料，適用非線性粘彈性理論。
　　根據(jù)球體-球體模型JKR接觸理論和粘著摩擦理論得到半球體-平面體模型非線性粘彈性仿生橡膠表面形貌的增摩機(jī)理。對(duì)于仿生橡膠表面形貌，其摩擦接觸模型在有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的情況下，其總摩擦力等于接觸形變后實(shí)際接觸區(qū)域的粘著力和犁溝力的疊加;仿生橡膠表面形貌相比橡膠光滑表面具有明顯的增摩效果，其主要原因在于犁溝力和粘附力的共同影響;仿生橡膠表面形貌的當(dāng)量摩擦系數(shù)隨半球體凸起高度變化而

4、變化。
　　利用有限元軟件ANSYS12.0建立柔性-柔性仿生橡膠表面摩擦接觸對(duì)，并對(duì)所建立的摩擦接觸對(duì)進(jìn)行摩擦接觸分析，對(duì)比分析不同行列數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)仿生橡膠表面形貌增摩性能的影響，得出仿生橡膠表面形貌與當(dāng)量摩擦系數(shù)的內(nèi)在影響規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果顯示本文所設(shè)計(jì)的仿生橡膠表面當(dāng)量摩擦系數(shù)增幅為0.04％-13.60％;仿生橡膠表面形貌相比橡膠光滑表面具有明顯的增摩效果;仿生橡膠表面當(dāng)量摩擦系數(shù)隨凸起高度增大先增加后減小，最后達(dá)到穩(wěn)定

5、狀態(tài)。相同半球體凸起高度條件下，仿生橡膠表面當(dāng)量摩擦系數(shù)隨凸起行列數(shù)增加而增大;仿生橡膠表面當(dāng)量摩擦系數(shù)出現(xiàn)峰值時(shí)間隨凸起行列數(shù)增加而提前。
　　通過(guò)摩擦接觸試驗(yàn)，對(duì)比分析了仿生橡膠表面形貌的不同行列數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)仿生橡膠表面形貌增摩性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析、數(shù)值模擬相一致，只是當(dāng)量摩擦系數(shù)試驗(yàn)值要大于數(shù)值模擬值。試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)量摩擦系數(shù)增幅為0.70％-12.62％。
　　通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，揭示仿生橡