石鳖抗冲蚀磨损三维数值模拟 - 农业机械学报.pdf

２０１４年 １１月 农 业 机 械 学 报 第 ４５卷 增 刊 ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１４．Ｓ０．０５２ 石鳖抗冲蚀磨损三维数值模拟 １ ２ １ 田喜梅 　李宏伟 　田丽梅 （１．吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春 １３００２５；２．吉林大学计算机科学与技术学院，长春 １３００１２） 摘要：利用 ＡＮＳＹＳ／ＬＳ ＤＹＮＡ显式动力分析软件，对仿石鳖壳板的构形单元仿生模型和构形 凹槽形态及构形 凸 包形态二元耦合仿生模型的动态冲蚀磨损过程进行了三维数值模拟，对比分析了不同耦元对靶材抗冲蚀性能的影 响规律。３种模型在整体水平上抗冲蚀性顺序依次为凸包弧形板、凹槽弧形板和光滑弧形板。在弧形板峰部，凹槽 的应力分散效应即抗冲蚀性能明显优于凸包；而在翼区，凸包的抗冲蚀性能显著优于凹槽，说明石鳖壳板在进化过 程中优化出了最佳的形态组合，即壳板峰部分布有粗大的纵肋（肋间相对形成凹槽），而翼区则分布有大量的凸包， 从而可以有效抵抗强烈的海砂冲蚀。 关键词：石鳖　抗冲蚀　耦合仿生　数值模拟　ＡＮＳＹＳ／ＬＳ ＤＹＮＡ 中图分类号：ＴＢ１７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１２９８（２０１４）Ｓ００３１９０６ ３条粗大的纵肋，在翼区则广泛分布有大量低平粒 　　引言 状突起。壳板周围为外套膜，形成较宽的环带，与壳 冲蚀磨损是引起材料破坏或设备失效的重要原 片紧密结合。石鳖生活时以宽大的足部和环带牢固 因，严重地影响着工业生产和发展［１－２］；且冲蚀磨损 地附着在附着物上，因此即使在受激浪冲击的岩石 是工程应用中造成经济损失最多的磨损类型之一， 上也有分布，表现出良好的抗冲蚀磨损性能。 因而相关研究受到国内外高度重视。新兴诞生的仿 ［３］ 生摩擦学 为抗冲蚀磨损研究提供了新的参考，以 仿生摩擦学为研究手段，从耦合角度研究具有抗冲 蚀特性生物的冲蚀磨损机理，从而制定抗磨对策，减 少磨损耗材，对提高机械设备和零件的安全寿命将 产生极大的社会和经济效益［４－９］。 石鳖作为一种原始贝类，典型的多板纲代表，具 图１　红条毛肤石鳖 有特殊的生物习性和典型的体表形貌，其外套膜与 Ｆｉｇ．１　ＢｉｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆＡｃａｎｔｈｏｃｈｉｔｏｎｒｕｂｒｏｌｉｎｅａｔｕｓ 　 贝壳的软硬结合，无机物与有机质的强韧结合，贝壳 已有研究表明，ＡＮＳＹＳ／ＬＳ ＤＹＮＡ有限元模拟 刚性与壳间柔性结合等赋予石鳖以优良的抗冲蚀磨 结果与冲蚀磨损试验具有较好的吻合性，说明利用 损特性。本试验选取典型潮间带贝类红条毛肤石鳖 该有限元模拟来研究冲蚀磨损和指导工程应用具有 Ａｃａｎｔｈｏｃｈｉｔｏｎｒｕｂｒｏｌｉｎｅａｔｕｓ为研究对象，运用仿生耦 可行性和可靠性［１０－１５］。本文以红条毛肤石鳖中间 合理念，探索其实现抗冲蚀功能所采取的耦合方式， 壳板为生物原型，利用 Ｐｒｏ／Ｅ与ＡＮＳＹＳ软件联合建 揭示其抗冲蚀磨损的耦合机制与规律。 立了３种几何仿生模型；采用 ＬＳ ＤＹＮＡ进行显示 求解，分别研究了三维多粒子对单元仿生模型与二 １　原理 元耦合仿生模型的冲蚀磨损过程；利用 ＡＮＳＹＳ后处 １１　生物模型 理观察模拟结果，基于最大拉应力即第一主应力 本模拟选择红条毛肤石鳖（图 １）为生物模型。 （Ｆｉｒｓｔ