结构化减阻功能表面的拓扑磨削机制与关键技术基础

In order to innovate a kind of the high efficiency grinding method of the structured function surface for reducing friction and drag force, which is suitable for the manufacture of the structured function surface on large size or hard material workpiece, based on the topology theory and biology phyllotaxis theory, topology grinding method will be put forward for the structured surface that can reduce friction nad drag force. In order to establish the corresponding theory, and solve the scientific issues and the key technology, the project will be carried out by theoretical research and experimental investigation, mainly including, (1) the clustering analysis and modeling of the structured surface, and its topology structure design; (2) the design theory of the topology grinding wheel with phyllotactic pattern of superhard abrasive cluster and grain, and the key technology of manufacturing wheel; (3) the establishment of generalized topology space and the realizing homeomorphic problem betwwen the topological space of grinding wheel and workpiece; (3) the design of grinding kinematics, the establishment of topological mapping, and the analysis of the generating mechanism on structured surface and its topological constraints; (4) the experimental investigation of topology grinding mechanism and the analysis on physical alienation mechanism of topological structured surface; (5) the investigation of the friction and drag effects of the structured surface by topology grinding. Finally, the corresponding theories and methods are established, the key technology problems are solved, and the typical dimple, convex and riblet surface for friction and drag reduction are also obtained.

为了创新一种结构化减阻功能表面的高效磨削方法，以满足大尺寸或难加工材料零件减阻结构化功能表面的制造，基于拓扑学理论和生物学叶序排布理论，提出了结构化减阻功能表面的拓扑磨削方法。为了建立相应的理论，解决所涉及的关键技术和科学问题，项目将开展减阻结构化功能表面的聚类与数学建模、拓扑结构化设计的理论研究，叶序排布超硬磨料族和磨粒拓扑结构砂轮设计的理论与制造中的关键技术研究，广义拓扑化磨削空间的建立及实现砂轮与工件的拓扑空间同胚化问题研究，磨削运动学及拓扑映射的建立问题,以及实现结构化表面的拓扑约束问题及表面的创成机理问题研究，拓扑化磨削机理及拓扑结构表面的物理异化机制问题研究，拓扑化磨削结构表面的减阻效应问题研究。最终，建立起相应的理论和方法，解决其关键技术基础问题，获得拓扑化磨削的典型凹坑、平台和筋条减阻表面。

一些结构化表面能有效地降低机械表面的摩擦阻力和拖曳阻力，其源于对生物非光滑表面的仿生。目前其减阻机理的研究较多，但制造技术研究薄弱，而制造技术是减阻理论研究成果付诸于工程实际应用的桥梁。尽管学术界提出了多种结构化减阻表面的制造方法，但对于批量化或难加工材料零件的结构化减阻表面制造来说，磨削法是最行之有效的方法之一。本课题基于拓扑学理论并结合磨削运动学原理，创新出了一种结构化减阻表面的拓扑映射磨削策略。对此，研究了结构化减阻表面的拓扑学分析，拓扑特征向量的建立和减阻单元间的拓扑转化关系；研究了磨削过程的拓扑同胚映射原理、砂轮的拓扑特征向量和磨削过程的拓扑映射物理与数学模型的建立，以及实现拓扑磨削的运动学条件等，并且依据所建立的模型设计出拓扑结构化砂轮；研究了砂轮的制造工艺，制造出了结构化电镀砂轮和绕丝砂轮。通过仿真和磨削实验探讨了拓扑映射磨削过程中表面的创成机理和相关规律和关键问题等。实现了尺寸范围在50μm至5000μm的叶序排布的凸包、凹坑、平台、随行波、沟槽和筋条等表面的拓扑磨削，也明确磨削和砂轮制造中存在的问题。对磨削出的表面的减阻性能和后处理问题也进行了研究。结果表明，所提出的拓扑磨削策略是可行的，其相关理论研究是正确的。当设计参数与磨削参数保持一致时，能够实现结构化表面特征参数的磨削，其误差在1%至6%；当参数偏离时，磨削出的表面特征参数发生偏离，但仍保持设计表面的拓扑属性。而且拓扑磨削的表面仍具有设计表面的减阻能力。. 研究已发表论文和录用待发表论文共计25篇，其中已经被EI和SCI检索的论文3篇，北大中文核心期刊19篇，会议1篇。培养硕士研究生培养研究生26名，其中已经毕业获得学位18名，在读的8名。. 该研究的成果的科学意义和应用价值在于率先将几何拓扑学理论引入磨削领域，建立了结构化表面拓扑映射磨削理论，并弥补了目前磨削结构化减阻表面的砂轮的设计理论不足，也为结构化减阻表面制造开拓了一种新的工艺策略。