仿生橡膠表面形貌增摩特性研究.pdf

1、在生物界，一些典型攀爬動物的體表表面形貌具有天然的增摩防滑功能，將其應用到生產(chǎn)生活領域中能夠解決大量的技術(shù)難題。在許多場合，提高設備的摩擦力可以實現(xiàn)生產(chǎn)效率、安全可靠、社會經(jīng)濟的提升。橡膠在生產(chǎn)生活領域中非常常見，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，將其廣泛應用于各類增摩防滑領域，比如輸送帶、汽車輪胎、橡膠鞋底等，對人類生產(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等先進儀器結(jié)合仿生技術(shù)，提取典型攀爬動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物體表非光滑表面形貌和柔性特征，以半球體凸起數(shù)學模型為基礎，設計不同行列數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的等高型仿生橡膠表面系列。
　　根據(jù)橡膠基礎理論，利用熱力學第一定律和第二定律，得到橡膠在大應變條件下，其應力-應變狀態(tài)呈現(xiàn)非線性關(guān)系;而在小應變條件下，其任一時刻的應力-應變狀態(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理。對于仿生橡膠表面形貌，其摩擦接觸模型在有運動趨勢或相對運動趨勢的情況下，其總摩擦力等于接觸形變后實際接觸區(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，并對所建立的摩擦接觸對進行摩擦接觸分析，對比分析不同行列數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)對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)果顯示本文所設計的仿生橡膠表面當量摩擦系數(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;仿生橡膠表面當量摩擦系數(shù)隨凸起高度增大先增加后減小，最后達到穩(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;仿生橡膠表面當量摩擦系數(shù)出現(xiàn)峰值時間隨凸起行列數(shù)增加而提前。
　　通過摩擦接觸試驗，對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)對仿生橡膠表面形貌增摩性能的影響，試驗結(jié)果與理論分析、數(shù)值模擬相一致，只是當量摩擦系數(shù)試驗值要大于數(shù)值模擬值。試驗結(jié)果顯示當量摩擦系數(shù)增幅為0.70％-12.62％。
　　通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗驗證，揭示仿生橡