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    基于水基潤滑理論的冰刀減阻影響參數研究

    李夢晗  
    【摘要】:科學技術的應用對競技體育的影響越發深遠,開展冰刀減阻理論的研究,對提高滑冰運動項目的比賽成績,具有重要的意義。目前學者們普遍認為冰面的水潤滑膜對降低冰面摩擦因數起著至關重要的作用,但水潤滑膜的形成過程尚不明確,這極大的限制了冰刀減阻理論研究的發展。本文通過ANSYS對冰刀的滑動摩擦過程進行有限元仿真模擬,分別在滑冰工況相同冰刀物性參數不同、冰刀物性參數相同滑冰工況不同的條件下,分析冰刀、冰面局部溫度變化,得出以下結論:(1)在一定范圍內減小冰刀導熱系數、比熱容、密度都有利于冰刀潤滑,其中導熱系數的作用最強,密度次之,冰刀比熱容的作用最弱;冰刀導熱系數為0.527 W/(m·K)時,冰面水膜最大,長度達到181.58 mm,冰面水膜厚度達到1087.0μm;冰刀比熱容為25.0 J/(kg·K)時,冰面水膜最大,長度為170.43 mm,厚度為647.53μm;減小冰刀密度有利于水膜形成,冰刀密度從1.93×10~8 kg/m~3降低至85.9 kg/m~3,冰面水膜長度從0 mm增至180.44 mm,冰面水膜厚度從0μm增至740.48μm;冰刀比熱容、密度的降低導致冰刀0℃線明顯上移,不利于控制冰刀的表面改性處理的成本;(2)增大環境溫度、冰面粗糙度、滑動速度、載荷都會使最高溫度及冰面最高溫度升高,并增加冰面水膜長度。環境溫度的升高有利于冰面熔化,冰面水膜厚度會隨環境溫度升高而增大;隨著冰面粗糙度增加,冰面水膜厚度增大,當摩擦因數增加至0.2325時,冰面水膜厚度達到峰值677.29μm。在試驗范圍內,滑動速度為0.8 m/s時冰面水膜最厚,達到594.88μm。載荷從65 kg增大到85kg,冰面水膜厚度有增加趨勢,在454.48μm~633.14μm的范圍內變化;(3)在對冰刀表面改性時,降低改性層的導熱系數、比熱容、密度對冰面水膜的形成都有積極影響,考慮到滑冰工況,表面改性層優化的厚度為3.51 mm,優化的導熱系數為0.527 W/(m·K),優化的比熱容為178 J/(kg·K),優化的密度為3090 kg/m~3。


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