基于ANSYS Fluent的仿生表面微织构仿真分析

随着对表面微织构研究的不断深入，表面微织构已经被研究证实具有较为优越的摩擦性能。为了研究仿生表面微织构对于材料表面摩擦学性能的影响，本文基于仿生思想，以自然界生物表面为原型抽象设计出三角形、梯形、正方形表面织构，利用Fluent软件分别对不同形貌表面微织构进行流体润滑仿真分析，分析对比了不同形貌的微织构对于油膜内部压力分布的影响。结果表明：与光滑表面相比，表面微织构的存在能够使表面油膜产生流体动压润滑效应，能够有效改善摩擦副之间的摩擦学性能。其中梯形织构具有较大的平均正压力值，和较小的负压，摩擦学性能最好。三角形织构的静压力峰值比正方形和梯形织构峰值都要大，峰值之间间距最小。为表面微织构设计的应用提供一定的理论指导和技术支撑。

摩擦和磨损是一直困扰着世界各国工业发展的主要问题之一。传统摩擦学认为，相互接触的表面越光滑(粗糙度越小)， 则其摩擦学方面的性能越优异， 然而， 1966 年Hamilton [1]提出了附加流体动压效应， 经过Etsion 等[2]的不断研究深化发现，在摩擦副表面加工一定的形貌织构能够有效地改善摩擦学性能。

Wang 等[3]针对带有不同形状微凹坑织构的摩擦副，基于流体的Navier-Stokes 计算方程，建立了二维有限元模型，分析了不同形状微凹坑织构产生的流体动力效应对摩擦副摩擦性能的影响。凹坑织构能够改善摩擦副的摩擦学性能。Tong 等[4]实验研究并分析表面织构降低摩擦磨损的相关机理。研究结果表明， 产生流体动压， 捕捉磨损碎屑以及存储润滑剂是表面织构减小摩擦和磨损的主要原因。

Olver [5]和Fowell [6]等提出了“入口吸力”， 其中气穴作用于驱动接触式入口中的流体流动， 并对封闭腔中的润滑剂加压， 导致润滑剂夹带量增加，从而增加了负载。四川大学的于如飞等[7]利用商业软件FLUENT 建立了圆形凹坑织构的二维和三维模型，研究了表面织构分布角度对其表面的承载力的影响。结果表明，分布角度在30 度时，织构表面上的压力峰值最大。仿生摩擦学是摩擦学与生命科学的有机结合，旨在通过学习生物系统来探索和提高摩擦学系统和元件的性能，并研究减摩或增摩、粘附或抗粘附的机理，生物系统的抗摩和高效润滑。刘洋等[8]对鲨鱼皮进行了显微观测和水动力特性分析，并将仿生表面织构应用于水翼吸力面，结合数值模拟的方法验证了仿生微槽形织构的减阻性能。本文从自然界生物表皮微观结构出发，设计了表面织构几何形状。从白硅鱼鳞和沙蜥体表[9]提取了微观纹理的几何形状，并简化、抽象得到三角形、梯形和正方形仿生表面微织构。研究了表面微织构油膜压力分布的数值仿真，并对仿真结果进行分析，通过分析其仿真得到的压力分布图、速度矢量图和直方图来探究表面微织构在润滑条件下对摩擦表面产生的影响。

为未来在不同领域选取合适形貌的表面织构、提升材料表面的摩擦学性能提供了参考。

2. CFD 模型建立 2.1. 仿生表面织构设计 如图1 所示，本文通过白硅鱼鳞片表面，根据其体表鳞片缝隙阴影处为原型抽象设计出梯形表面织