仿驯鹿蹄冰面防滑胎面结构研究.x课件

仿驯鹿蹄冰面防滑胎面结构研究驯鹿(Rangifertarandus)作为一种冰雪动物,在冰雪路面上具有较高的通过性。而驯鹿足部是与冰雪路面接触的唯一部位,足底特征形貌是影响驯鹿在冰上通过性的重要因素。因此,本文以驯鹿足作为生物模本,研究足底特征形貌,采用工程仿生技术将足部的优良特性应用到轮胎胎面结构上,并对所设计的胎面结构块进行加工试验以及仿真,这有助于攻克常规防滑轮胎在冰面上通过性低的难题。从宏观上对驯鹿足底进行长度和宽度测量确定驯鹿足部尺寸。找出驯鹿足部蹄球、蹄底、蹄边缘和蹄尖四个特征部位,并对足部进行大体解剖试验,确定驯鹿足部符合一般的偶蹄动物模式。利用体视显微镜和电子扫描显微镜对驯鹿足部四个特征部位进行观察,发现四个特征部位都带有各自的特点:蹄球部位带有棱纹凸起;蹄底与蹄球部位结构大致相同;蹄边缘表面最为光滑;蹄尖处形成三角区域,这容易导致应力集中,生有许多裂纹。对蹄球、蹄底和蹄边缘部位进行能谱分析,结果表明驯鹿足底除含有大量的碳、氧及氮元素外,硫、硅、铁、铝钙5种微量元素含量较高,并且不同部位的元素存在差别。通过逆向工程技术将驯鹿足从生物模型转换成点云模型,并运用GeomagicStudio软件进行点云到多边形的转换。将驯鹿足部单个足底划分出内、外侧边缘曲线、脊线凹槽面和足跟凸冠面4个典型部位,通过CATIA软件进行点云数据到三维坐标的转换。运用1stOpt软件和MATLAB软件对特征部位拟合并构建数学模型。拟合结果表明内、外侧边缘曲线方程的决定系数R~2(coefficientofcorrelation)分别为0.994和0.992;脊线凹槽面和足跟凸冠面的曲面方程的决定系数R~2分别为0.96和0.98。通过模型验证后发现,模型拟合值与实际值得相对误差均在5%以下,实现了驯鹿足底特征形貌从生物模型到数学模型的转化。结合已建立出的特征曲线曲面的数学模型与胎面结构块的实际结构,运用仿生学原理,在Solidworks软件中设计出两种仿生仿生胎面结构块与对比人字形花纹块。运用机加工技术和3D打印技术,将花纹块加工出实物模型,在UTM摩擦试验机上进行胎面结构块与冰面的摩擦试验。试验结果表明在相同的速度、温度和压力条件下仿生无棱纹胎面结构块与冰面之间的摩擦系数最高,是仿生有棱纹胎面结构块的1.13~1.47倍,是人字形胎面结构块的1.04~1.26倍。利用ABAQUS热-力耦合分析在-11℃的同种环境、低压和高压、速度和时间下三种花纹块与冰摩擦时冰表面的温度变化以及高压下带有三种花纹轮胎与冰摩擦时冰表面的温度变化。试验结果表明低压下仿生无棱纹胎面结构块的冰表面温度升高最高为0.66℃,是仿生有棱纹的冰表面温度的3.1倍,是人字形的冰表面温度的1.2倍。在高压下,仿生有棱纹胎面结构块的冰表面温度升高最高为7.764℃,是仿生无棱纹的冰表面温度的1.91倍,是人字形的冰表面温度的2.29倍。在高压下三种轮胎与冰面的的仿真中,仿生有棱纹轮胎的冰表面温度升高最高为11.5883℃,是仿生无棱纹轮胎的冰表面温度的1.15倍,是人字形轮胎的冰表面温度的4.55倍。基于驯鹿足底的特征形貌结构,运用仿生学原理,设计出两种仿生胎面结构。通过冰面