表面微织构涂层-基体系统重载弹流润滑性能分析

发布时间：2021-09-25 03:56

　　目的研究表面涂层与织构化协同作用时摩擦副的重载弹流润滑性能,为重载传动的摩擦学设计提供参考。方法基于广义Reynolds方程、线弹性方程以及载荷平衡方程,建立表面微织构涂层-基体系统的弹流润滑模型,并无量纲化,然后运用Full-system有限元法编程求解,探讨涂层的弹性模量以及三角形织构深度、宽度、密度对系统弹流响应的影响。结果载荷一定时,薄膜涂层（2μm）的弹性模量变化（50～500 GPa）对油膜压力整体分布影响较小,但二次压力峰在硬质涂层上更为显著。在涂层与基体存在弹性模量差时,其上由微织构引起的集中应力是无涂层的2～3倍。最小油膜厚度随着涂层弹性模量的增大而增大。随着织构深度的增大（0～5μm）,油膜压力和厚度波动更加明显,最小油膜厚度随之减小,系统最大等效应力也显著增大。当织构宽度增大（10～20μm）时,油膜压力和厚度波动减弱,最小油膜厚度先减小后增大。如果织构密度增大（0.5～2）,油膜压力波动更为剧烈,油膜厚度波动变化不大,但其波动周期变化明显,最小油膜厚度先减小后增大。膜基界面最大剪应力出现在二次压力峰附近,织构化表面油膜压力波动越大,膜基界面剪应力波动也越大。结论... 

【文章来源】：表面技术. 2020,49(07)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

表面微织构涂层-基体系统线接触弹流润滑模型

求解涂层-基体弹流润滑问题的计算域（无量纲化）如图2所示[15,16]。为精确求解固体域的弹性变形，将该二维计算域Ω的几何范围定为X∈[–30,30]和Y∈[–hc/a–60,0]。为保证润滑油入口和出口处的油膜压力均为0，一维流体域Ωc定为X∈[–4.5,3]。一维线接触等温弹流润滑无量纲化广义雷诺方程为：Reynolds方程空化边界条件表示为[17]:

整个数值计算程序如图3所示。本文采用Full-system有限元法，将所有需求解的方程在稳态计算条件下通过有限元方法进行离散。首先，给定初值H0、P、U和V，然后利用有限元直接迭代和Newton-Raphson迭代法求解每个时间步的EHL方程组，以求解H0、P、U和V。让流体域和固体域建立隐式联系，通过全耦合的形式不断更新计算H0。将拉格朗日五阶和二阶单元分别赋予到Reynolds方程和线弹性方程中，具体求解方法请见参考文献[19-20]。求解过程中，模型流体域网格质量和密度是保证计算结果准确性的关键。为了确定合理的单元网格数量，本文开展了不同网格数量下的织构化膜基系统EHL模型计算，验算模型为理想光滑表面，涂层弹性模量取200 GPa（无涂层）。而且，中心膜厚Hcen和最小膜厚Hmin与Dowson等的经验公式[14,21]进行了比较，如式(16):


本文编号：3409041