界面力-构耦合机理与摩擦设计研究

发布时间：2020-04-08 09:28

【摘要】：摩擦学问题由来已久。大量的工程经验和实验分析表明,影响滑动摩擦力的因素包括摩擦层材料的物理化学特性,表面形貌和工作环境等。因此,很难形成普遍适用的摩擦定律。在机械传动中为了满足不同的要求,摩擦力常常需要被调整。例如减小摩擦力可以节能提效,如轴承、齿轮机构;增大摩擦力可以传递转矩和耗能,如摩擦阻尼器。摩擦力无处不在,如果能控制摩擦力的变化,将拓宽摩擦力的利用空间。本研究的目的是研究表面结构对摩擦力的影响,通过设计表面结构赋予接触界面特定滑动摩擦特性。主要研究内容如下:(1)研究接触表面结构变形对摩擦力的影响,对植物叶子和泡沫材料之间的摩擦特性进行了测试分析。实验结果表明,随着法向载荷的增加,斑种草和构树叶子表面的刺状结构发生变形,从而影响滑动摩擦力,使其在特定阶段随法向力增加而减小,呈现“反常”摩擦行为。基于实验结果,建立了“棒棒糖”状表面结构的力学模型,并利用3D打印制备了弹性试件,以试验验证了摩擦力随正压力负增长的机理。(2)基于摩擦力与真实接触面积成正比的理论,设计、制备了包含多个球面接触区域的表面结构并进行了摩擦力测试。该结构随着法向载荷的增大发生变形,引起接触区域的切换。根据赫兹接触理论,试件与刚硬平面基底接触中,球面曲率半径减小时真实接触面积变小,摩擦力因而降低。实验验证了通过改变真实接触面积调控摩擦力的可行性。实验同时也证明,在接触区域表面结构上设计次级结构调节表面粗糙度,也可以实现摩擦力随正压力负增长。(3)利用动力学模拟研究接触面相对滑动时的摩擦特性。有限元计算表明,表面结构的刚度影响滑动面接触区域的变形,因此优化表面结构的刚度可以达到降低摩擦力的目的。数值分析显示,物体在弹性表面上滑动时,因能量守恒,滑动摩擦力在特定条件下会改变方向,助推滑块加速运动。本研究探究了表面结构和滑动摩擦力之间的关系,通过实验、仿真和理论分析,验证了以控制结构形变、改变真实接触面积、调节结构刚度等方式调控摩擦特性的可行性,研究结论对摩擦设计具有指导意义。
【图文】：

接触区域的不同位置上会发生不同程度的变形，法向压力图 1-1 滑动摩擦机理[11]Fig. 1-1 Sliding friction mechanism

1 绪论时间依赖的；摩擦学行为是多个学科间强耦合结果[18,19]。摩擦运动并非平稳的连续滑动，会发生不同程度的黏滑运动(stick-s是摩擦过程中摩擦副接触界面碰撞-分离的动态过程，表面形貌是变形最重要的因素，在滑动摩擦过程中，，研究表面形貌对接触黏着重要。
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH117

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本文编号：2619182