基于摩擦生热的扭动微动热-力耦合分析

发布时间：2020-08-21 19:13

【摘要】：扭动微动作为四种基本微动方式之一,大量存在于实际工程中,其运动幅值微小,且产生的影响不易观察,但其引起的磨损和疲劳损伤所造成的零部件磨损失效不可忽视。扭动微动研究起步较晚,报道较少,目前主要集中于实验研究。本文着眼于摩擦热对扭动微动的影响,基于有限元方法,开展对两种铝合金材料的接触力学行为研究,通过用户子程序嵌入和应力场相关的热源模型,建立热-力耦合扭动微动预测模型,进而开展微动温度场和应力场数值分析,探究相应的材料响应行为。主要研究工作如下:1.基于有限元方法,采用球-平面接触几何建立扭动微动数值模型,将Hertz理论解的接触压力和接触半径与数值解进行对比,结果取得了较好的一致性,因而充分验证了有限元数值模型的正确性和分析的可行性。2.对7050铝合金、2024铝合金的扭动微动力学行为开展数值模拟分析,研究关键微动参数对应力应变分布和演化的影响。结果表明:不同运行区域Mises应力、摩擦切应力、塑性应变的分布和变化规律呈现明显的不同,且与实验现象的磨损损伤规律有一定的对应性。3.基于摩擦生热,探究了扭动微动的热力耦合效应。分析了表面及次表面的温升分布和温升变化,及较高微动循环下温升对应力应变分布的影响,同时总结了关键微动因子对温升分布和变化的影响规律。结果表明:温升在扭动微动不同运行区域同样呈现不同的分布和变化规律,且对应力应变有显著影响,故摩擦热是微动损伤中重要的影响因素,对揭示扭动微动损伤机理具有重要意义。4.对比分析7050铝合金、2024铝合金扭动微动损伤特性,通过研究不同微动参数对两种材料应力应变和温升影响规律的不同,探究材料响应行为从而为扭动微动摩擦副的材料选取奠定理论基础。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O34
【图文】：

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微动一般存在于“紧固”配合的机械部件中[1,2]。由于接触表面没有宏观的相对运动，因此在实际工程应用中微动现象总是被忽略，对材料失效分析通常从材料质量和强度等问题上进行探讨，极少考虑相互接触表面的微动摩擦特性。在工程实际中广泛存在微动现象，如：核反应堆蒸汽装置（图 1-1（a））、缆绳（图 1-1（b））、花键配合、螺纹连接、轮轴配合、飞机上众多配合部件等，微动涉及到机械、材料、化学、力学等诸多学科，其研究的复杂程度比传统的滑动和滚动摩擦都要高。迄今为止对微动摩擦学研究还不足一个世纪[3]，随着工业的快速发展，高科技领域对配合零部件的精度、可靠、使用寿命以及各种工况下的要求更加严苛，微动磨损对零部件的损伤日益凸显，因此亟需快速发展微动摩擦学。微动摩擦学发展时间虽然较短，但在这一时期内研究人员及学者们先后提出了许多重要理论为微动摩擦学研究奠定基础，如：微动破坏的机械和化学共同作用理论[4]、微动疲劳模型[5]、剥层理论[6]、微动运动调节理论[7]、微动三体理论[8]、微动疲劳力学分析[9]、二类微动图理论[10]等。

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西南交通大学硕士研究生学位论文第.2 微动的运动模式在实际工程应用中微动现象是十分复杂的，学者们通过采用球/平面的接触模运动形式简化并分成四种基本运行类型[11]：切向微动（Tangential fretting）动（Rotational fretting）、径向微动（Radial fretting）以及扭动微动（Torting），微动运行模式如图 1-2 所示。

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图 1-3 影响扭动微动的主要因素幅值作是微动过程中关键参数，一直是微动过程中的磨损率有着较为显著的影相对运动所产生的耗散能较低，微动磨相对运动区域增大，在微动过程中所产的磨损率。外界较大载荷，接触面会表现出较大的对运动的滑移量，配合部件在交变应力频率影响接触面材料的化学性质、磨学性质变化与时间相关，循环过程中接生，导致接触面材料被磨耗掉越多。

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