沙漠条斑钳蝎耐冲蚀特性及其仿生应用

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1、沙漠条斑钳蝎耐冲蚀特性及其仿生应用ErosionwearresistancecharacteristicsofdesertMesobuthuseupeusanditsbionicapplication作者姓名：封海龙专业名称：仿生科学与工程指导教师：韩志武学位类别：工学硕士答辩日期：2015年6月3日摘要沙漠条斑钳蝎耐冲蚀特性及其仿生应用离心风机是工业生产中提供气体动力的重要设备，广泛应用于国民生产生活中的各个方面。离心风机在环境恶劣的工况下作业过程中，由于气体夹杂固体颗粒会对风机叶片造成冲蚀磨损失效，因而大大降低了风机的使用寿命，进而增加了其维护成本。自然界中许多生物为人们解决

2、工程问题提供了参考，近年来仿生学的研究受到了国内外学者的广泛关注。本文通过仿生学的启发，寻求一种提高离心风机耐冲蚀磨损性能的新方法。本文以沙漠条斑钳蝎为生物模本，研究了其耐冲蚀磨损特性。通过对其背部体表进行体视显微镜观察，发现其背部7个背板宽度从蝎子头部到尾部依次增大，背板的宽度范围为：2.04～3.98mm，且背板之间连接为V型槽结构。据此，建立了仿生V型槽结构模型。对蝎子背部进行组织切片观察，发现其背部表层及内层的组织硬度不同；对蝎子活体进行冲蚀试验观察，发现当蝎子受到砂粒冲击时会做出蜷缩的动作；对蝎子背部体表进行逆向工程分析，发现其背部横纵向均具有一定的曲率，据此，建立了无

3、曲率仿生耦合模型和有曲率仿生耦合模型。然后，本文对仿生模型的冲蚀磨损性能进行了研究。首先，利用FLUENT软件对仿生V型槽结构模型、弧型槽结构模型、方型槽结构模型及光滑型模型的冲蚀磨损性能进行仿真分析，结合试验优化设计的方法优选出了具备最优耐冲蚀磨损性能的仿生V型槽结构模型。其次，对无曲率仿生耦合试样、仿生V型槽结构试样及光滑型试样进行冲蚀磨损试验，结果表明，无曲率仿生耦合试样具备较优的耐冲蚀磨损性能。再次，对有曲率仿生耦合试样、无曲率仿生耦合试样、仿生V型槽结构试样及光滑型试样的冲蚀磨损试验进行极差分析及回归分析：极差分析结果表明影响试样冲蚀磨损性能的主次因素为：试样的纵向曲率

4、、试样的柔性体厚度和试样的硬质层厚度。最优组合为：硬质层的厚度为2mm，柔性体厚度为5mm，试样纵向曲率为0。通过回归分析得到试样的冲蚀磨损率与试样纵向曲率、柔性体厚度及硬质层厚度的关系式为：222yˆ1.06z4.24z3.02z0.184z4.36z1.17z6.34。112233接下来，本文对仿生试样耐冲蚀磨损的机理进行了探讨。首先，从气体湍流、I流速分布及冲蚀磨损区域划分的角度，对仿生V型槽结构试样较光滑型试样具备较优耐冲蚀磨损性能的机理进行了探讨。其次，对于无曲率仿生耦合模型耐冲蚀磨损性能>V型槽模型耐冲蚀磨损性能>有曲率仿生耦合模型耐冲蚀磨损性能>光滑模

5、型耐冲蚀磨损性能的试验结果，从基于FLUENT气体湍流及流速分布和基于LS-DYNA应力传递及能量缓释的角度进行了探讨。最后，本文参照无曲率仿生耦合模型进行离心风机叶片的设计，对离心风机叶片及其仿生结构的冲蚀磨损状况进行了可视化研究。普通离心风机叶片压力面的冲蚀磨损部位主要集中在前缘部位，其中，压力面前缘靠近叶轮后盘的部位磨损较为严重。吸力面的冲蚀磨损部位主要集中在叶片的前缘部位，前缘部位靠近叶轮前盘及后盘的部位均有不同程度的磨损。对于硅胶板厚度为2mm的叶片仿生结构而言，其压力面的后缘部位的仿生图案中与其吸力面后缘靠近叶轮后盘的部位均产生了冲蚀粒子沉积的现象，沉积的粒子形成了一

6、种保护层，阻碍冲蚀粒子对于材料的冲蚀磨损作用，其压力面前缘部位及其吸力面的前缘（尤其是靠近叶轮前后盘的部位）磨损较为严重。对于硅胶板厚度为5mm的仿生结构而言，同样由于粒子沉积现象的存在，其压力面的前缘部位磨损较为严重，吸力面的磨损几乎贯穿于整个叶片，其中压力面后缘靠近叶轮后盘的部位磨损程度较轻。除此之外，本文考察了叶片仿生结构在不同硅胶板厚度及螺栓拧紧扭矩下的耐冲蚀磨损性能，并对试验结果进行了探讨。通过对试验结果进行分析后发现，硅胶板厚度为2mm，螺栓的拧紧扭矩为30N·M时，叶片仿生结构具备最优的耐冲蚀磨损性能，在达到稳态冲蚀磨损时，其失重量约为24mg。关键词：沙漠条斑钳蝎

7、，仿生，冲蚀磨损，仿真分析，离心风机IIAbstractErosionwearresistancecharacteristicsofdesertMesobuthuseupeusanditsbionicapplicationCentrifugalfanisimportantequipmentprovidinggaspowerinindustrialproductionandmanyaspectsofnationallife.Whencentrifugalfanworkedinthe