聚合物复合材料摩擦界面迁移过程的数值模拟研究

发布时间：2017-09-28 17:17

  本文关键词：聚合物复合材料摩擦界面迁移过程的数值模拟研究

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【摘要】：聚合物材料在与金属对偶件滑动接触时，会在摩擦界面上发生界面迁移，导致在金属对偶件表面形成一层转移膜。转移膜的存在能够有效地降低聚合物材料的磨损。研究发现转移膜的形成是由于机械嵌合、物理和化学键合等综合作用使得聚合物在接触的金属表面发生粘附并逐渐扩展，最后形成较均匀完整的转移膜。转移膜在形成与长大过程中，始终伴随着局部脱落和再修复过程，当形成较完整的转移膜后便处于动态平衡状态。但实验研究很难动态观察和再现聚合物材料摩擦磨损过程中转移膜的动态形成过程，而这一过程对于实现转移膜的有效控制和摩擦学性能优化至关重要，也是实现摩擦性能调控的关键问题。有鉴于此，本文选用基于离散元开发的二维颗粒流程序（PFC2D）对PTFE/45钢摩擦磨损进行建模和模拟，系统研究了45钢表面粗糙度对PTFE摩擦转移与磨损规律的影响，，填料含量对Cu/PTFE复合材料摩擦性能的影响及PTFE基体颗粒在摩擦磨损过程中的运动规律，从微观层面上再现PTFE/45钢摩擦界面迁移的动态过程，定量地描述转移、磨损等问题，对聚合物复合材料的摩擦转移研究具有指导意义。主要研究结论如下： （1）PTFE/45钢摩擦磨损过程模拟显示，靠近摩擦界面的PTFE颗粒从基体脱落，一部分作为转移颗粒吸附在45钢表面，形成PTFE转移颗粒层；一部分作为磨损颗粒被排出摩擦界面。且在摩擦磨损初始阶段，转移颗粒数逐渐增大，一段时间后随着转移颗粒层的形成与完整，转移颗粒数趋于一个定值且保持动态平衡，表明转移颗粒层已达到稳定平衡阶段，并伴随着局部的脱落与再修复。随着转移颗粒层（转移膜）的形成与稳定，PTFE基体磨损速率显著下降，并维持在一个稳定的磨损速率。 （2）对45钢表面粗糙度（Rz=0.3~1.5μm）对PTFE摩擦转移与磨损规律的影响研究表明：45钢表面粗糙度对PTFE的转移颗粒和磨损颗粒具有一定的影响。在一定的范围内（Rz=0.3~1.2μm），转移颗粒数随着Rz值的增加而增加较明显，但当Rz值增大到一定值（Rz=1.2μm）后，转移颗粒数随着Rz值的增大而增加的趋势较之Rz=0.3~1.2μm时小。而磨损颗粒数普遍随着Rz值的增加而增加，但在Rz=0.9μm时出现最大磨损颗粒数。 （3）对填料含量对Cu/PTFE复合材料摩擦性能研究表明：填料Cu的加入一方面促进了转移颗粒层的形成，提高了转移颗粒层与对偶表面的粘结强度；另一方面提高了复合材料整体强度，对颗粒的转移产生了一定的抑制作用。在Cu含量为20%时，PTFE基复合材料最终转移颗粒数最多，当Cu含量为50%时，转移颗粒最少。同时填料Cu的加入降低了PTFE基复合材料的磨损，且随着Cu含量的增加，减磨效果越来越好。当Cu含量达到50%时，PTFE基复合材料的磨损颗粒数较纯PTFE减少了近一半。 （4）对PTFE基体颗粒在摩擦磨损过程中的运动规律研究表明：PTFE基体内部颗粒在材料摩擦磨损过程中，会在水平方向和竖直方向发生运动，且其运动范围主要发生在PTFE摩擦过程所形成的类流层中。颗粒在水平位置的运动方向主要与下试样45钢的运动方向保持一致性，即PTFE基体内部的颗粒在材料摩擦过程中水平位置的运动方向保持跟随性；在竖直方向上，颗粒在PTFE基体内部主要发生向上的运动。对同一层分布的3个颗粒球在PTFE基体内部水平方向的移动范围坐标分析可以得出，中间颗粒球在水平方向的位置移动范围要大于靠近模型边缘的两边颗粒球的移动范围。
【关键词】：摩擦转移 离散元 PFC2D 粗糙度 填料 运动规律
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH117.1;TB33
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-10
• Abstract10-14
• 插图清单14-16
• 表格清单16-17
• 第一章 绪论17-24
• 1.1 摩擦磨损17
• 1.2 摩擦磨损数值模拟17-22
• 1.2.1 有限单元法（Finite Element Method，简称 FEM）17-19
• 1.2.2 离散单元法（Discrete Element Method，简称 DEM）19-21
• 1.2.3 其它数值模拟方法21-22
• 1.3 课题研究意义和研究内容22-24
• 1.3.1 研究意义及项目来源22
• 1.3.2 主要研究内容22-24
• 第二章 PFC2D 软件简介24-35
• 2.1 PFC2D 颗粒流程序24-32
• 2.1.1 PFC2D 颗粒流方法24
• 2.1.2 PFC2D 基本力学理论24-28
• 2.1.3 PFC2D 颗粒流程序接触本构模型28-32
• 2.2 PFC2D 解题的一般过程32-35
• 第三章 摩擦副数值模型的建立35-42
• 3.1 摩擦副系统的建立35
• 3.2 PTFE/45 钢摩擦系统数值模型的建立35-41
• 3.2.1 摩擦副数值模型的建立35-36
• 3.2.2 本构模型的选择及模型细观参数的设定36-38
• 3.2.3 边界条件的设定38-39
• 3.2.4 基本假设条件39-40
• 3.2.5 转移颗粒与磨损颗粒的定义40-41
• 3.3 摩擦界面颗粒分层41-42
• 第四章 对偶件表面粗糙度对摩擦转移及磨损影响的数值模拟42-52
• 4.1 数值模型的建立42-44
• 4.1.1 偶件粗糙度模型的建立42-44
• 4.1.2 PTFE/45 钢摩擦副数值模型与边界条件的建立44
• 4.2 PTFE/45 钢摩擦磨损的动态过程44-46
• 4.3 对偶件表面粗糙度对 PTFE 摩擦转移与磨损的影响46-51
• 4.3.1 不同偶件表面粗糙度下 PTFE 的摩擦转移和磨损的过程模拟46-48
• 4.3.2 对偶件表面粗糙度对 PTFE 摩擦转移和磨损的影响分析48-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第五章 填料含量对 PTFE 材料摩擦磨损的影响52-63
• 5.1 数值模型的建立52-55
• 5.1.1 Cu 颗粒填充的 PTFE 基复合材料数值模型的建立52-53
• 5.1.2 模型细观参数的设定53-54
• 5.1.3 摩擦副数值模型与边界条件的建立54-55
• 5.2 摩擦磨损动态过程55-56
• 5.3 铜含量对复合材料摩擦磨损的影响分析56-61
• 5.4 本章小结61-63
• 第六章 PTFE 基体内部颗粒运动规律分析63-81
• 6.1 数值模型的建立63-65
• 6.1.1 PTFE/45 钢摩擦副数值模型与边界条件的建立63-64
• 6.1.2 颗粒球与坐标系的选取64-65
• 6.2 颗粒运动规律分析65-80
• 6.2.1 0 号参考球的运动规律65-66
• 6.2.2 颗粒在水平方向（X 方向）的运动66-77
• 6.2.3 颗粒在竖直方向（Y 方向）的运动77-80
• 6.3 本章小结80-81
• 第七章 总结与展望81-83
• 7.1 总结81-82
• 7.2 展望82-83
• 参考文献83-89
• 参与的科研项目和发表的论文89-90

【参考文献】

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本文编号：937078