Page 56 - 《摩擦学学报》2021年第3期

第 3 期 李云凯, 等: 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 345

bearing capacity of water film and the friction coefficient under different texture shapes and sizes. We can also draw a
conclusion that bionic water-lubricated bearings with Nepenthes Alata structures had more excellent load-earing capacity
of water film and anti-friction performance at the medium rotational speed and under the medium applied load.
Furthermore, this study provided an analytical method and theoretical basis for designing water-lubricated bearings with
bionic structures and improving their tribological properties.
Key words: bionic surface textures; Nepenthes Alata; water-lubricated bearings; tribological properties; finite element
analysis

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表面织构被认为是提高表面摩擦学性能的有效 滑 或水润滑轴承 [22-26] 的轴瓦材料，以期优化其摩擦
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方法之一. 早在1952年，Barwell 便研究了边界润滑条 磨损特性. 本文作者正是在此基础上，对先前未见研
件下表面结构、组成和微观织构对摩擦的影响. 往后， 究过的轴瓦布置有仿生猪笼草结构的水润滑轴承开
许多研究便致力于在摩擦副表面加工出一些规则或 展有限元分析研究，以期获得材料摩擦磨损性能和润
阵列的凹坑、沟槽、微凸体等不同形貌，以提高摩擦副 滑水膜承载能力的优化. 对优化后两种功能表面结构
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表面的摩擦学性能，并广泛地应用于机械 、材料 [3-4] 、 的减摩机理分别进行分析，并将其应用于以高分子材
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生物医学 等多个领域中. 料为基底的水润滑轴承轴瓦表面.

由于生物摩擦系统表界面长期经受复杂工况或
1 分析模型
与周围环境发生能量与物质的交互作用，优化出各种
类型的形态、构形、材料和结构，为人工领域面临的摩 1.1 表面织构参数设置
擦问题的研究提供了崭新的思路，故仿生摩擦学被大 表面织构参数的定义规则如下：XX-XXXX. 如图1
量运用到了表面织构的减摩减阻研究中. 研究者们对 所示，前两位字母表示模具带有微型织构的形状：SC
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树蛙的脚掌 、蛇 和鲨鱼 [8-9] 的皮肤、牛关节软骨 等 (Simple and Crescent)指仿生蜡质区单层月牙形结构；DC
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生物表面微结构均进行了探究并设计出布置有仿生 (Double and Crescent)指双层月牙形结构；CC (Composite
织构的材料表面，发现其表现出了良好的减摩耐磨特 and Crescent)指月牙形和蜡质晶复合结构；SR (Simple
性. 而本文中研究的猪笼草具有两类润湿性差异很大 and Ridged)指仿生唇部单层径向脊形结构；DR (Double
的功能表面，分别为蜡质区的月牙形结构的疏水性表 and Ridged)是指双层径向脊形结构；CR (Composite
面和唇部的径向脊形结构的亲水性表面，均极易使昆 and Ridged)指带楔形盲孔的双层径向脊形复合结构.

虫滑落，达到捕食的目的. 对于仿生蜡质区月牙形结构，后四位数为微型织
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早先，Gaume等 和Gorb等 分别发现了猪笼草 构的两位尺寸代码和两位间距代码：两位尺寸代码代
蜡质区的月牙形结构和蜡质层的协同作用使得其表 表单个月牙形结构最大宽度的1%，即如果最大宽度
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面粘附性大幅降低；Bauer等 则对唇部表面形貌的捕 为800 μm，则尺寸代码为08；两位间距代码代表两个
虫机理进行了分析，发现了其上分布的双级径向脊形 月牙形结构的横纵向间距的1%，即如果横纵向间距
结构. 往后，研究者们主要通过对猪笼草蜡质区表面 为600 μm，间距代码为06. 仿生月牙形结构全部形状
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的浸润性研究 设计并制备了一些具有超疏水性和 和尺寸的参数编号分别为SC0808、SC1008、SC1208、
自清洁性的仿生表面 [15-17] ，也有少数同时针对猪笼草 SC1006、SC1010；DC0808、DC1008、DC1208、DC1006、
的两种功能表面所展开的研究以及对其不同减摩机 DC1010；CC0808、CC1008、CC1208、CC1006、CC1010.
理的分析 . 其中，陈华伟等 对猪笼草唇部的液膜 对于仿生唇部径向脊形结构，所有形状的每条径
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连续搬运机制进行了深入研究并设计制备了液体单 向脊宽度均为200 μm. 后四位数为微型织构的两位数
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方向铺展搬运仿生表面 ，取得了一系列重大突破. 目代码和两位间距代码：两位数目代码代表每条一级
但目前为止，未见有利用有限元分析手段评估轴瓦布 径向脊间二级径向脊的数目，即如果每条一级径向脊
置有仿生猪笼草两种功能表面结构的水润滑轴承摩 间二级径向脊的数目为2个，则数目代码为02；两位间
擦学性能的研究. 距代码代表每两条二级径向脊的间距，即如果每两条
在船舶水运、机械制造等领域，通过布置表面织 二级径向脊的间距为200 μm，间距代码为02. 仿生径
构来实现摩擦学性能的优化同样应用广泛. 近年来， 向脊形结构全部形状和尺寸的参数编号分别为
不少研究便通过制备具有特殊表面结构的新型自润 SR0102、SR0202、SR0302、SR0201、SR0203、DR0102、