仿生硅藻结构的水润滑轴承摩擦学性能-研究

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1、中文摘要摘要硅藻是单细胞自养型微生物，广泛分布于全球海洋环境和淡水环境。研究发现，硅藻的细胞壁具有精致的多级孔状结构，该结构有极高的抗拉性能和弹性韧性，具有良好的机械性能优势，但到目前为止还缺乏该结构的摩擦学性能研究。本论文仿生圆筛藻多级孔结构的摩擦学性能，优选出一种新型的复合微造型结构，并将该结构应用到水润滑轴承上，以改善水润滑轴承的摩擦学性能。本文立足国家自然科学基金面上项目“仿生硅藻典型壳壁结构的水润滑轴承摩擦学性能研究”(项目编号51375509)，主要研究内容如下：首先，本文介绍了硅藻

2、的培养方法，采用课题组自行发明设计的硅藻培养装置，培养了典型硅藻。使用ZEISSAURIGA双聚焦离子束扫描电镜，对其进行了图像采集，观察分析了硅藻的形貌结构，发现圆筛藻的细胞壁具有精细的多层孔状结构。然后，仿生典型硅藻圆筛藻的多层孔结构，采用流固耦合分析方法，研究了平行表面间不同仿生结构，即不同复合微造型结构的摩擦学性能。数值仿真结果表明：复合微造型在改善平行表面的摩擦学性能上，比单层微造型更有优势，且最优的复合微造型形状为长方体—半球型微造型。在上述研究的基础上，将长方体—半球型复合微造型应

3、用到水润滑轴承的低压区，采用流固耦合分析方法，研究了复合微造型几何尺寸对轴承承载力、摩擦力及摩擦系数等摩擦学性能的影响，并与具有相应单层微造型结构的水润滑轴承及光滑轴承摩擦学性能进行对比。数值仿真结果表明：与光滑轴承相比，在轴承低压区设置复合微造型，能明显改善轴承的摩擦学性能；同时，由于轴承低压区位置油膜间隙较大，该复合微造型在改善轴承摩擦学性能方面，与单层微造型结构相比并无明显优势。进一步，将长方体—半球型复合微造型应用到水润滑轴承的高压区，采用流固耦合分析方法，研究了复合微造型尺寸及间距，轴

4、承转速、偏心率及长径比，润滑剂的粘度及密度等参数对水润滑轴承摩擦学性能的影响，并与相应的单层微造型轴承及光滑轴承的摩擦学性能进行对比。数值仿真结果表明：与光滑轴承相比，在轴承高压区设置该复合微造型，能明显改善轴承的摩擦学性能，且比单层微造型轴承更具优势。同时，当复合微造型间距较小、轴承长径比较大、偏心率较小，或轴的转速较高时，复合微造型的改进效果更加明显。关键词：仿生结构，硅藻孔状结构，复合微造型，摩擦学性能，水润滑轴承I重庆大学硕士学位论文II英文摘要ABSTRACTAdiatomisasin

5、gle-celledautotrophicmicroorganism,whichiswidelydistributedinthemarineenvironmentandwaterenvironment.Itisfoundthatthediatomhasusuallytherefinedmultilevelporousstructurehavinghightensilepropertyandelasticitytoughness,andgoodmechanicalperformances.Howe

6、ver,fewresearcheshavebeenmadeonthetribologicalperformancesofthesestructures.BasedonsimulatingthemultilevelporousstructureforCoscinodiscussp.,thepresentthesispicksoutanewtypeofcompounddimplestructure,andappliesthestructuretothewater-lubricatedbearingt

7、oimproveitstribologicalperformances.ThepresentworkissponsoredbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No:51375509),whichisnamedas“Investigationoftribologicalperformancesforwater-lubricatedbearingusingrepresentativeshellstructuresofdiatoms”.Thepre

8、sentthesisincludesthefollowingcontents:Firstly,theculturalmethodforthediatomisintroduced,andthentypicaldiatoms,areculturedwithasetofdiatomcultivationdeviceinventedbythepresentresearchgroup.TheimagesandsurfacetopographyarecapturedbyZEISSAURIGAdoublebe