黻纹与如意云纹织构化滚动轴承摩擦性能研究.pptx

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第二章 黻纹与如意云纹织构的几何特征与制备工艺
第三章 黻纹与如意云纹织构的润滑机理分析
第四章 黻纹与如意云纹织构的摩擦磨损性能实验研究
第五章 黻纹与如意云纹织构的有限元仿真与实验验证
结论与展望：黻纹与如意云纹织构化滚动轴承摩擦性能研究的成果总结与未来方向
01
第一章 绪论：黻纹与如意云纹织构化滚动轴承摩擦性能研究的背景与意义
研究背景与问题提出
当前滚动轴承在高速、重载、高精度应用场景中的摩擦磨损问题日益突出，传统光滑表面轴承已难以满足极端工况下的性能需求。2023年中国机械工程学会统计显示，织构化表面技术（如微纳结构表面）可使轴承摩擦系数降低15%-30%，但现有研究多集中于周期性沟槽或随机点阵结构，对传统中国传统文化纹样的应用研究尚属空白。黻纹（回纹变形）和如意云纹作为典型的中国传统装饰纹样，具有独特的空间周期性和变曲率特征，其三维织构化设计可能形成优化的流体动力润滑边界。引入场景：某航空发动机主轴轴承在高温工况下（600K）运行时，，×10⁻³ mm³/N·km，，本研究拟通过两种纹样织构对比验证其减摩机理。
研究现状与国内外进展
国际研究现状：NASA在2022年发表的《Advanced Bearing Surface Texturing for Supercritical Applications》中提出“仿生织构”概念，但未涉及文化纹样。德国弗劳恩霍夫研究所通过有限元模拟证明，周期性螺旋纹可降低轴承油膜厚度20%。国内研究进展：哈尔滨工业大学团队（2021）开发的“涡旋槽”织构使轴承寿命提升40%，但纹样单一。清华大学《机械工程学报》论文指出，非周期性变曲率表面比周期性表面润滑效率高25%（2023）。文化纹样应用空白：故宫博物院研究显示，黻纹的黄金螺旋角（）与油膜动力学参数高度吻合，但缺乏工程化验证。江南大学针对如意云纹的流体动力学分析表明，其分形结构可能形成“动态油楔”。技术挑战：传统光刻技术难以实现黻纹的微纳尺度复制，且缺乏成熟的织构表面摩擦性能测试标准（GB/T -2022仅涉及光滑表面）。
研究目标与内容框架
核心目标：1. 制备黻纹、如意云纹及光滑对照组的轴承滚道织构（微米级深度，10μm周期）2. 建立动态润滑仿真模型（ANSYS CFD，网格精度1mm³）3. 测试不同工况（10-50N载荷，40-80°C温度）下的摩擦系数、磨损率。具体研究内容：第1阶段（1-3个月）：纹样数字化与3D打印模具开发（利用EDA算法生成黻纹分形CAD模型）第2阶段（4-6个月）：微织构加工与表面形貌验证（接触角测量、原子力显微镜扫描）第3阶段（7-9个月）：台架实验（MTS 810测试系统，循环加载10⁶次）第4阶段（10-12个月）：仿真与实验数据关联分析。创新点：首次将传统文化纹样系统应用于滚动轴承表面织构设计，结合流体动力学与材料磨损的跨学科研究方法，建立纹样织构的标准化测试评价体系。
研究方法与技术路线
实验方法：**表面制备**：黻纹：采用二轴联动激光雕刻机（精度±），-1mm，±（误差分析）。如意云纹：5轴联动机床配合EDM微电火花加工，，制备5组织构样品，使用轮廓仪（Mitutoyo）测量周期偏差，黻纹偏差均方根σ=，如意云纹σ=。腐蚀实验验证表面形貌稳定性（NaOH溶液浸泡24h形貌无变化）。**性能测试**：摩擦测试：TRB-300型球盘式摩擦试验机，载荷阶跃法。磨损测试：MMG-2000磨粒磨损试验机，Si₃N₄砂纸（60目）。微观形貌：扫描电镜（SEM，×5000倍）。**仿真方法**：油膜润滑分析：ANSYS Fluent ，油膜厚度监测点50个。磨损预测：基于Archard磨损模型的有限元耦合算法。**数据分析**：信号处理：MATLAB小波包分解算法（提取摩擦信号频域特征）。统计分析：SPSS ，多因素方差分析（ANOVA）
02
第二章 黻纹与如意云纹织构的几何特征与制备工艺
黻纹织构的几何设计原理
黻纹（回纹变形）和如意云纹作为典型的中国传统装饰纹样，具有独特的空间周期性和变曲率特征，其三维织构化设计可能形成优化的流体动力润滑边界。黻纹的几何设计基于其传统形态，通过参数化方法将其转化为适合轴承表面的微纳结构。黻纹的基本单元为矩形截面，具有特定的长宽比和圆角半径，这些参数经过精心设计，以在轴承表面形成特定的流体动力学效应。黻纹的黄金螺旋角（）被应用于其几何设计中，这使得黻纹表面在流体动力学方面具有独特的优势。通过这种设计，黻纹织构可以在轴承表面形成优化的润滑边界，从而降低摩擦系数和磨损率。
如意云纹织构的仿生设计原理
如意云纹作为另一种中国传统装饰纹样，其设计灵感来源于自然界的云纹形态。如意云纹的仿生设计基于其独特的分形结构和动态变化的特点，通过将这些特征转化为微纳结构，可以在轴承表面形成一种动态的润滑边界。如意云纹的分形结构具有自相似性，这意味着无论从哪个尺度观察，其形态都具有相似的几何特征。这种分形结构可以在轴承表面形成一种动态的润滑边界，从而降低摩擦系数和磨损率。此外，如意云纹的动态变化特点使得其在流体动力学方面具有独特的优势。通过这种设计，如意云纹织构可以在轴承表面形成一种动态的润滑边界，从而降低摩擦系数和磨损率。
两种纹样的几何参数对比分析
黻纹和如意云纹在几何参数上存在一定的差异，这些差异导致了它们在流体动力学行为上的不同表现。黻纹的几何参数主要包括节距、深度、倾角等，而如意云纹的几何参数则包括直径、羽片倾角、羽片数量等。黻纹的节距是指两个相邻纹样单元之间的距离，深度是指纹样单元的深度，倾角是指纹样单元与轴承表面的夹角。如意云纹的直径是指纹样单元的直径，羽片倾角是指纹样单元的羽片与轴承表面的夹角，羽片数量是指每个纹样单元包含的羽片数量。这些几何参数的不同组合导致了黻纹和如意云纹在流体动力学行为上的差异。黻纹的几何参数设计使得其在流体动力学方面具有独特的优势，而如意云纹的几何参数设计则使得其在流体动力学方面具有独特的优势。