混凝土裂缝的仿生自修复研究与进展

混凝土仿生自修复是根据生物体损伤修复的原理, 在混凝土传统组分中复 合特殊组分使其具有自修复功能, 当混凝土材料出现损伤或裂缝时, 自动触发修复反应使其 愈合, 恢复甚至提高开裂部分的强度, 从而提高整个结构的性能. 混凝土自修复系 统将免去有效的监听和外部修补所需的高额费用, 节省建筑结构运行费用, 且大大有利于建筑结构的 安全性和耐久性. 本文在简要介绍生物体损伤修复原理的基础上, 总结了两种混凝土自 修复技术与方法; 综述了国内外有关裂缝自修复混凝土的研究现状; 分析了仿 生自修复方法中所存在的问题及其实用价值, 展望了其发展趋势和应用前景; 最后, 指出需 进一步研究的方向.     

船舶水润滑尾轴承当量半径等效计算及其摩擦学性能研究

水润滑尾轴承摩擦磨损性能是影响船舶工作性能的主要因素之一,合理预测水润滑尾轴承工作过程中的摩擦系数对其性能评估具有重要意义.目前对于水润滑尾轴承摩擦系数的理论计算公式已经存在.但由于销盘试验下无法有效获取当量半径,公式在销盘试验条件下的实用性不佳.对此在总结了边界润滑条件下,水润滑尾轴承摩擦机理的基础上,通过在CBZ-1销盘试验机上进行大量试验来进行当量半径等效参数计算公式的总结与摩擦系数经验公式的验证.研究结果表明:(a)在使用理论摩擦系数计算公式的前提下,当量半径等效参数公式拟合合理,具备较高准确性;(b)试验材料的理论摩擦系数与实际摩擦系数误差较小,为同类型试验摩擦性能研究提供了理论与试验基础;(c)水润滑尾轴承材料在工作过程中的摩擦力来源主要分为滞后摩擦力、犁沟摩擦力以及黏着摩擦力.当其处于边界润滑状态下时,滞后摩擦力为主要的摩擦力来源.该研究为水润滑尾轴承的等效当量半径在销盘试验条件下的应用提供了试验基础.     

聚多巴胺辅助两性离子聚合物界面组装制备水润滑纳米涂层

亲水和低摩擦表面涂层在生物植入体及医疗器械方面有着很广泛的应用,为发展简单、通用的涂层制备方法,本文作者采用聚多巴胺辅助共沉积技术,将壳聚糖基两性离子共聚物组装到材料表面,制备了超亲水、低摩擦和抗污染水润滑纳米涂层,考察了聚合物浓度对共沉积复合涂层的厚度、亲水性和润滑性的影响. 结果表明:随着聚合物浓度的增大,涂层厚度略有下降;该涂层在纯水及不同生物介质中表现出优异的润滑性能(摩擦系数μ为0.015)和抗污染性能. 该方法适用于多种惰性材料表面(金属、陶瓷和聚合物等),有望用于生物植入体、医用导管等表面制备多功能水润滑纳米涂层.      

点接触方式纳米锌润滑添加剂自修复规律的研究

本文采用四球试验法,以含纳米锌自修复剂的基础油为润滑介质,运用均匀设计试验方法对磨损的钢球进行在线自修复试验,建立并验证回归模型,对影响自修复效果的因素量化排序.选择不同修复效果的试验条件,分别加入抗氧抗腐剂T202和空白试验研究点接触方式下自修复过程特点.用带能谱仪的扫描电镜对修复后钢球磨斑表面进行表征.结果表明:试验验证结果与预测值符合较好,说明回归模型可行、可信.纳米锌自修复剂能对磨损的钢球表面进行修复,向表层基体元素扩散并牢固结合,使磨斑直径减小,具有自修复特点.     

微量第二润滑介质辅助的增强水润滑研究

研究了一种微量第二润滑介质辅助的增强水润滑方案. 在水润滑环境下,测量了丁腈橡胶块-不锈钢环接触入口区短时(10 s)注入微量乳化油(100 μL)时的摩擦力特性. 结果表明:在试验工况下短时注入微量乳化油降低了橡胶块磨损. 低速时,摩擦副处于混合润滑状态,短时注入的乳化油减摩效果明显;速度升高时,短时注入的乳化油使轴承特性系数增加,会引起摩擦力增加. 此外,在水环境下利用线接触光干涉技术揭示了乳化油以离水展着的方式形成承载润滑膜. 研究工作为应对短时恶劣工况下的水润滑失效提供新的思路,为水环境下微量乳化油的辅助润滑调控提供数据支持.      

仿生猪笼草结构的水润滑轴承摩擦学性能有限元分析研究

水润滑轴承的轴瓦结构设计对其摩擦磨损和润滑性能有着重要影响. 为提升其摩擦学性能,设计一种轴瓦布置有仿生猪笼草结构的水润滑轴承,主要为蜡质区的月牙形结构和唇部的径向脊形结构两类. 利用ANSYS Fluent对简化后的轴承润滑水膜模型进行流场分析,改变不同转速、载荷和不同织构形状、尺寸,探究水膜承载能力和减摩性能的优化情况并进行机理分析. 结果表明:通过比较不同织构形状、尺寸下的轴承水膜最大压力与摩擦系数,发现型号CC1006的月牙形织构和型号DR0102的径向脊形织构的水膜承载能力和减摩性能综合优化最佳. 通过改变不同载荷,发现轴瓦布置有仿生猪笼草结构的水润滑轴承更适合应用于中速中载的条件下,此时其拥有优异的水膜承载能力与减摩性能. 该研究为仿生表面结构的水润滑轴承设计及摩擦学性能提升等提供了分析方法和理论依据.      

角蛋白组织摩擦学性能及其损伤自修复的初步研究

采用纳米压痕/划痕仪和维氏硬度仪,初步研究了2种不同角蛋白材料-指甲和鸡爪的摩擦学性能及其损伤自修复特性.结果表明:指甲和鸡爪微观结构的不同导致其摩擦学性能和自修复能力有较大差异.由于具有更好的纤维取向性,指甲表面的划痕摩擦系数略低于鸡爪.指甲横截面上垂直于纤维方向的划痕摩擦力比平行于纤维方向的大,划痕宽度小;鸡爪内外层结构的不同使得其外层的摩擦力较大,划痕宽度较小.浸泡在水中,指甲和鸡爪上的压痕变形和低载下的划痕变形能够分别在5和30 min内完全恢复.     

ATP改性UHMWPE水润滑轴承材料的摩擦学特性研究

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)轴承材料在低速重载工况下常发生严重磨损,通过添加改性填料能够显著提升其摩擦学性能. 凹凸棒土(ATP)作为一种改性填料能够增强基体材料的机械性能进而改善其摩擦特性,但是ATP作为填料往往会因为团聚效应而降低材料的补强效果. 通过对ATP进行表面改性处理可克服团聚效应,实现ATP与基体间的均匀共混. 通过表面化学包覆改性法制备由硅烷偶联剂KH570改性处理的ATP与UHMWPE共混制成复合材料,并与纯UHMWPE材料作对照试验. 利用RTEC摩擦试验机研究复合材料在水润滑条件下摩擦系数随载荷和转速的变化,以及材料填充含量对复合材料在低速重载(v=0.55 m/s、F_z=55 N)工况下磨损性能的影响. 利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)与电子万能材料试验机分别对ATP改性效果、熔融结晶行为及复合材料的重要力学性能进行表征测试. 试验结束后,利用表面轮廓仪与激光共聚焦显微镜观察复合材料表面形貌并分析其磨损机理. 结果表明:硅烷偶联剂KH570对ATP的改性效果良好,填充改性ATP能提高材料的邵氏硬度,且材料的拉伸性能随填充含量的提高呈下降趋势;对比纯UHMWP材料,复合材料的摩擦系数更低,适量的ATP填充能改善材料磨损性能,减小体积磨损率;试验中改性ATP质量分数为1%的复合材料其摩擦学性能最优,在低速重载时的摩擦系数及体积磨损率与纯UHMWPE相比分别降低了52.45%和37.58%.      

金属氧化物填充聚四氟乙烯复合材料在水润滑条件下的摩擦学性能研究

在MM-200型摩擦磨损试验机上研究了金属氧化物填充聚四氟乙烯在干摩擦和水润滑条件下的摩擦磨损性能.结果表明:在水润滑下各复合材料的摩擦系数都较在干摩擦下的有不同程度地降低,而磨损不同程度地加剧;水润滑下金属氧化物填充使PTFE的摩擦系数增大,填充Al2O3、ZnO及CdO等均使PTFE的磨损率大幅增大,这是因为填料容易吸水,导致填料与基体脱粘,使材料表面的机械强度降低,从而使磨损率大幅增大.     

脂肪醇对铝—钢摩擦副的润滑作用研究

利用高速环-块摩擦磨损试验机考察了一系列脂肪醇对铝-钢摩擦副的润滑作用,研究了添加剂分子链长和添加量与润滑效果的关系,发现添加剂分子间作用力对其减摩抗磨效果具有决定影响,添加剂的润滑和抗磨功能是防护-腐蚀平衡作用的结果     

新型人工关节仿生润滑系统设计及滑液摩擦学特性研究

通过摩擦学系统分析，指出了目前人工关节无润滑系统的结构缺陷．为解决此缺陷，提出了一种包括生物滑液、人工关节摩擦配副和仿生关节囊的新型人工仿生关节摩擦学系统结构，并对系统设计以及其改善现有人工关节系统润滑的潜在优越性进行了讨论．采用销-盘摩擦磨损试验机对影响人工关节仿生润滑系统摩擦学性能的滑液进行了模拟试验前的快速初步评价．结果表明，滑液可显著改善人工关节副的摩擦学特性，但其效果同系统条件及其结构元素有关．在研制仿生滑液和设计其摩擦学特性模拟试验方法时，必须结合这些影响因素进行设计和试验．     

基于永磁环阵列的磁流体支撑及润滑特性研究

在本文中初步探讨了一种永磁环阵列的磁流体支撑及润滑特性,以期获得一种对固定目标区域精准支撑与润滑的方法,并实现低摩擦. 以3D打印树脂材料为基底,在其表面嵌入正方形点阵排布的永磁环阵列,分别在各磁体表面注入特定体积的磁流体,使其在各永磁环表面形成封闭的液体结构. 采用自行设计的支撑力测试系统及往复式摩擦磨损试验机分别对该液体结构支撑及润滑性能进行测试. 结果表明:在磁场作用下的磁流体,除自身磁化和内聚产生液体支撑力外,被磁流体密封于其液体结构内的气体将进一步提升支撑能力;而对于该磁环阵列结构而言,被吸附于其表面的磁流体支撑能力随着磁铁间距的增加而减小,并逐渐趋于稳定,同时磁极排布方式对支撑力也会有所影响;当磁流体密封结构的支撑能力大于外载荷时,即摩擦对偶完全被磁流体支撑,此时可获得0.005的低摩擦系数. 可见该磁流体液环密封结构所形成的液-气混合支撑力显著高于单一液体支撑,而磁环阵列结构可进一步提升总体支撑能力,当该支撑力高于负载时可避免摩擦副间的直接接触,在静止或低速状态下实现低摩擦. 该研究结果对于解决精密低速滑动机构中常出现的“冷焊”及“爬行”现象具有一定应用价值.      

采用混合边界温度的滑动轴承热动力润滑计算

根据流量连续和能量守恒原理，在滑动轴承热动力润滑计算中采用了一种确定混合边界温度的简单方法。与通常的平均边界温度方法相比，采用该混合边界温度使得轴承油膜温度提高，同时对轴承静特性系数、动特性系数，以及系统稳定性均构成不同程度的影响。最后的实验验证了该方法的可行性。     

基于时变啮合刚度的变位齿轮系统热弹流润滑研究

为探究动载荷作用下变位齿轮系统的热弹流润滑特性,综合考虑齿轮变位和时变啮合刚度的影响,基于动力学理论,建立了齿轮的六自由度摩擦动力学模型,分析振动与静载荷作用下变位齿轮系统的热弹流润滑特性.研究表明:与其他传动类型相比,正传动齿轮系统的润滑效果最佳,轮齿间可以形成较厚的润滑油膜,轮齿间的摩擦系数、油膜的最高温升最小,并且,随着两齿轮变位系数和的增大,润滑状况不断得到改善,热胶合承载能力增强;变位系数增加使齿轮系统的刚度增大,但同时降低了油膜的刚度.     

基于表面凹陷现象的非牛顿热弹流润滑分析

求出了非牛顿流体点接触热弹流润滑问题的完全数值解，并对玻璃一钢点接触的表面凹陷现象进行了理论及实验分析,结果表明：牛顿流体模型过高地估计了温度-粘度楔效应，而Ree-Eyring非牛顿流体模型能更好地解释温度-粘度楔效应．     

基于仿生设计的风力发电机叶片力学性能的实验研究

根据风力机的基本理论和相似理论设计了一个翼型为SG6050,半径为1m的小型风力机叶片。运用结构仿生学原理,对所设计的风力机叶片进行了仿生物中轴铺层设计。通过模态实验与应变实验,比较了传统设计与仿生设计两种不同风力机叶片的力学性能。模态实验结果表明,基于仿生设计的叶片的前六阶固有频率比传统叶片的前六阶固有频率减少约8％;两种叶片的固有频率均满足设计要求;仿生设计的叶片几乎不会改变叶片的动态特性。而应变实验表明,仿生设计的叶片在各种工况下的应变均大于传统的叶片约10％～20％。新设计的叶片具有较好的柔性,有效减小了叶片的应力,提高了叶片的疲劳寿命。     

基于半光滑牛顿法的润滑液膜有限元空化算法

针对润滑液膜中空化问题,引入Fischer-Burmeister函数,提出一种求解满足质量守恒雷诺方程的半光滑牛顿迭代算法.该算法将空化问题的非线性互补关系转化为等式约束方程,避免了迭代计算中的不等式约束识别问题.算法可将空化约束方程与雷诺方程、力平衡方程、变形方程等同时纳入牛顿迭代方程组,有效解决了传统松弛迭代算法需要多重嵌套循环带来的效率低下问题及压力与膜厚的强耦合性带来的收敛困难问题.计算实例表明,该算法计算效率高、收敛性好,且易应用于弹流润滑分析中,在滑动轴承和机械端面密封等多种物理模型下均有良好的适用性.     

不同表面粗糙度的摩擦副润滑状态的 Stribeck曲线研究

利用Stribeck润滑曲线理论分析和薄膜润滑试验考察了不同表面粗糙度的钢球与圆盘点接触及钢滑块与圆盘面接触摩擦副的润滑状态，通过改变圆盘转速获得了包含薄膜润滑状态的Stribeck曲线．结果表明：在Stribeck曲线上可以划分出薄膜润滑状态，其位于摩擦系数谷底附近；薄膜润滑的产生及其区间大小同圆盘表面粗糙度密切相关；圆盘表面粗糙度较小时更易形成薄膜润滑状态，而圆盘表面粗糙度较大时薄膜润滑状态不明显；光滑表面对应的Stribeck曲线谷底较宽，相应的薄膜润滑区间亦较宽．     

Contact Behavior of Worn Bearings with Elastoplastic Functionally Graded Coating Based on Mixed Elastohydrodynamic Lubrication

The dynamic contact behavior of worn bearings with elastoplastic functionally graded coating is studied,and the interacting effect between worn band and functionally graded surface is analyzed.The surface deformation and roughness are included in the film thickness.The mixed elastohydrodynamic lubrication combined with point contact model is introduced to analyze the oil pressure in the contact zone.By using the Fourier transform method and Papkovich-Neuber potential function,the displacements and stress fields in the elastoplastic functionally graded coating are obtained.The second-order central difference method is used to solve the Reynolds equation.It is found that the repeated surface interaction can result in the sharp increase in pressure in bearings,and the oil pressure increases with increasing graded index.The entrainment of oil in the inlet and outlet zones becomes more evident if a large graded index is selected.