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基于水基润滑理论的冰刀减阻影响参数研究

李梦晗  
【摘要】:科学技术的应用对竞技体育的影响越发深远,开展冰刀减阻理论的研究,对提高滑冰运动项目的比赛成绩,具有重要的意义。目前学者们普遍认为冰面的水润滑膜对降低冰面摩擦因数起着至关重要的作用,但水润滑膜的形成过程尚不明确,这极大的限制了冰刀减阻理论研究的发展。本文通过ANSYS对冰刀的滑动摩擦过程进行有限元仿真模拟,分别在滑冰工况相同冰刀物性参数不同、冰刀物性参数相同滑冰工况不同的条件下,分析冰刀、冰面局部温度变化,得出以下结论:(1)在一定范围内减小冰刀导热系数、比热容、密度都有利于冰刀润滑,其中导热系数的作用最强,密度次之,冰刀比热容的作用最弱;冰刀导热系数为0.527 W/(m·K)时,冰面水膜最大,长度达到181.58 mm,冰面水膜厚度达到1087.0μm;冰刀比热容为25.0 J/(kg·K)时,冰面水膜最大,长度为170.43 mm,厚度为647.53μm;减小冰刀密度有利于水膜形成,冰刀密度从1.93×10~8 kg/m~3降低至85.9 kg/m~3,冰面水膜长度从0 mm增至180.44 mm,冰面水膜厚度从0μm增至740.48μm;冰刀比热容、密度的降低导致冰刀0℃线明显上移,不利于控制冰刀的表面改性处理的成本;(2)增大环境温度、冰面粗糙度、滑动速度、载荷都会使最高温度及冰面最高温度升高,并增加冰面水膜长度。环境温度的升高有利于冰面熔化,冰面水膜厚度会随环境温度升高而增大;随着冰面粗糙度增加,冰面水膜厚度增大,当摩擦因数增加至0.2325时,冰面水膜厚度达到峰值677.29μm。在试验范围内,滑动速度为0.8 m/s时冰面水膜最厚,达到594.88μm。载荷从65 kg增大到85kg,冰面水膜厚度有增加趋势,在454.48μm~633.14μm的范围内变化;(3)在对冰刀表面改性时,降低改性层的导热系数、比热容、密度对冰面水膜的形成都有积极影响,考虑到滑冰工况,表面改性层优化的厚度为3.51 mm,优化的导热系数为0.527 W/(m·K),优化的比热容为178 J/(kg·K),优化的密度为3090 kg/m~3。


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