凹坑形仿生非光滑轧辊耐磨性研究吉林工程技术师范学院毕业设计(论文)吉林工程技术师范学院赵××赵××凹坑形仿生非光滑轧辊耐磨性研究Research of Wear-resistance onRoller with Biomimetical Non- smooth Concave Surface专业：姓名：赵 * *班级：学号：指导教师:职称：摘要摩擦磨损存在于所有运转机械设备中，不仅消耗能源和增加材料成本，降低设备运转效率，而且加速设备报废、导致部件更换频繁，常常造成巨大经济损失。
为此我们研究了生活在不同环境的动物体表非光滑性，如鲨鱼、蜥蜴、甲虫等。
发现这些动物体表的沟槽型、鳞片型、凸包型、和凹坑型形态与其生活习性相适应，它们特异的身体结构使非光滑表面具有良好的减阻、减摩、减粘附和抗磨损的特性，并将这一仿生技术应用到机械工程领域。
本文主要从仿生非光滑表面改形和改性相结合角度，对凹坑形仿生非光滑轧辊耐磨性进行研究。
依据工程仿生学原理，确定出轧辊耐磨表面的单元形状和尺寸，利用激光技术将所设计的非光滑形态复制到轧辊模型试样上。
选用部分正交多项式回归设计实验方案，考查非光滑凹坑单元体的直径、行间距、温度、运行时间和转速对55钢材料表面耐磨性的影响程度。
实验研究并分析了不同尺寸及分布密度的W9Cr4V高速钢非光滑试样高温时的磨损特性及耐磨机理。
利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对仿生非光滑轧辊的轧制过程进行三维有限元数值模拟；与通钢集团公司及长春市矩型焊管有限责任公司合作进行现场实验研究，非光滑轧辊的寿命比同材质的光滑轧辊寿命提高2倍左右。
关键词：仿生；非光滑表面；凹坑表面；轧辊；耐磨性；数值模拟；ANSYS 软件AbstractThe friction and wear phenomenon exists in all machines and devices in the industry, which brings the increasing of product costs and loss of large energy, shortage of facility using life. For this purpose we studied the surface nonsmooth of the animal in different environment,such asshark,lizard,beetle and so on.Found these animal body surface groove,scales,convex hull and pit shape and life habits,their specific physical structure make nonsmooth surface has good drag reduction ,anti-friction,the characteristics of reducing adhesion and resistance to wear,and applies the bionic technology in the field of mechanical engineering.This article mainly from the bionic nonsmooth surface change shape and modified Angle,combining the pit shape bionic nonsmooth roll abrasion resistance were studied.The theory of engineering bionics,and determine the roll wear shape and size on the surface of the ing laser technology to design the nonsmooth morphology is copied to the sample roll model.Choose part of orthogonal polynomial regression design experiment plan,inspection unit pits of nonsmooth body diameter,row spacing,temperature,running time,and speed of 55 the influence degree of the surface abrasion resistance of steel materials.Experimental studies and analyzes the different size and distribution density of W9Cr4V HSS nonsmooth wear properties and wear mechan nism of the specimen at high temperature. By using finite element analysis software ANSYS/LS-DYNA of the bionic nonsmooth roll threedimensional finite element numerical simulation of rolling process;And tonghua group co,LTD,a field experiment study of nonsmooth roll life 2 times higher than that of smooth roll life with the same material.Key words:bionic nonsmooth surface pit surface roller abrasion resistance numerical simulation software ANSYS目录摘要 (3)Abstract (4)1 前言 (6)1.1 仿生摩擦学的发展及现状 (6)1.2 本文研究的主要内容和方法 (7)2 凹坑形仿生非光滑轧辊耐磨性研究 (7)2.1 研究仿生非光滑性轧辊的意义 (7)2.2 正交多项式回归实验分析 (9)2.3 模型试件的摩擦磨损实验分析 (10)2.3.1 凹坑形仿生非光滑模型试件磨损实验结果及分析 (11)2.4 凹坑形仿生非光滑试件滑动磨损三维有限元分析 (14)2.4.1 有限元模型的建立 (14)2.4.2 计算结果与分析 (14)2.4.2.1 等效应力随凹坑直径的变化 (15)2.4.2.2 等效应力随凹坑间距的变化 (17)2.4.3 ANSYS三维有限元模拟总结 (20)3 结论 (20)1.1 参考文献 (22)1前言在注重可持续发展和鼓励人们树立科学发展观的现代中国社会中，节约能源以及尽可能地提高资源使用效率已经成为产业发展中的一个必然趋势。
而在生产过程中的各种无法循环使用的物质能量消耗中，材料磨损无疑是不可忽视的一类，因此如何提高材料的耐磨性成为了我们需要解决的问题。
本文主要将凹形生物非光滑形态应用到轧辊表面上，来研究仿生非光滑耐磨理论在机械工程领域的发展运用，来解决材料磨损的实际问题。
1.1仿生摩擦学的发展及现状仿生学诞生于1960年，是研究、模仿生物系统方式，或以具有生物系统特征的方式，或以类似于生物系统方式的系统科学，即研究模拟生物系统的结构性质、能量转换和信息传递过程，用以改善或创新一些适应特殊环境与要求的科学领域。
它是一门新兴的边缘科学，包含着生物、数学、化学、力学、材料及工程技术。
美国著名分子学家专家Stephen认为，，仿生学将成为21世纪最重要的生物科技。
国际上有声誉的动物学家Nachtigall博士提出仿生学就是“学习自然界的现象作为技术创新的模式”的基本概念。
20世纪90年代起，美国、英国、日本、德国、俄罗斯、韩国、澳大利亚等国相继投入大量资金来强化仿生学研究。
其中，美国在仿生材料、仿生制造技术、仿生减阻技术方面取得了明显的成效和进展。
英国的Bath大学和Reading大学的仿生技术研究中心对仿生学基础研究方面得到了很大的成绩。
1993年日本成立了先进交叉学科国家研究院，将仿生设计确定为最初进行的三个基础研究项目之一。
德国在仿生电子技术、纳米技术、材料传感器、自清洁技术等方面的研究在工程应用上得到了很好的成效。
俄罗斯在开展生物体结构、材料和行为机理的分类研究，目标是整合生物体结构、材料和行为机理，用作解决科学技术问题的强大工具，在国际仿生领域有较高的影响。
对于机械制造行业，主要进行的是力学仿生和材料仿生，在材料仿生方面，将更加注重脱附和耐磨了两个方面，目前在生物材料摩擦学方面已有一定的研究，耐磨性在材料应用方面具有重要意义。
吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室自上世纪80年代开始对一些经典土壤动物进行了脱附减阻研究及其仿生理论与技术的探索，提出生物非光滑概念和生物非光滑耐磨理论。
认为动物体表普遍存在非光滑结构、具有减黏、减阻和耐磨等功能。
仿生非光滑耐磨理论与技术是基于生物体表具有的优良的耐磨特性，以生物体表为研究对象，以科技手段解决工程问题的一种科学和应用技术。
图1-1所示为典型仿生非光滑耐磨表面形态。
生物非光滑耐磨形态的获取是实际应用的基础。
目前该项理论普遍应用于农机具出土部件及工程机械领域，如仿生犁壁、仿生耐磨轧辊和仿生钻头等，解决了大量的工程实际问题。
1.2本文研究的主要内容和方法本文以仿生非光滑表面的耐磨性机理研究为主题，从摩擦过程中温度和应力着手，主要设计正交析因实验对不同的凹坑表面和光滑表面之间进行热结构耦合分析，实验研究并分析了不同尺寸及分布密度的W9Cr4V高速钢非光滑试样高温时的磨损特性及耐磨机理，及利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对仿生非光滑轧辊的轧制过程进行三维有限元数值模拟，主要研究内容如下（1）光滑形表面与非光滑性表面对轧辊耐磨性和使用寿命的影响；（2）不同直径、深度和温度等条件下的凹坑性仿生非光滑形表面磨损的部分正交多项式回归设计实验分析；（3）高速钢W9Cr4V的摩擦磨损实验分析；（4）凹坑性仿生非光滑试件滑动磨损三维有限元模拟分析；2凹坑形仿生非光滑轧辊耐磨性研究轧辊是制造行业中不可缺少的重要部件，它的工作性能直接影响到生产效率、生产成本及产品质量。
在轧制过程中，轧辊和轧钢之间的摩擦阻力使轧辊磨损及其严重，为了保证产品质量而不得不频繁更换轧辊，给工业生产带来了巨大的损失，因而研究提高轧辊耐磨性的方法具有十分重要的意义。