影响摩擦磨损的接触热动力学特性研究

发布时间：2017-08-02 22:26

  本文关键词：影响摩擦磨损的接触热动力学特性研究

  更多相关文章： 摩擦学 导热 滑动接触 粗糙表面 有限元方法

【摘要】：在科技高速发展的今天,能源消耗、材料损失和环境污染仍然是世界各国在发展中所面临的难题,而摩擦磨损是造成能源消耗和材料损失的主要原因之一。摩擦副的摩擦和磨损程度并不是材料本身的固有特性,而是一个受各种因素影响的实时的动态过程。本文基于接触热动力学特性,主要针对摩擦副在运动过程中的压力、温度、导热量等的变化规律从理论分析和仿真模拟两方面进行了研究,主要研究内容如下:在有限元静态压缩方法的基础上,结合特征值理论为摩擦副在磨损过程中的接触问题的求解提供了新的方法。首先,采用有限元静态压缩法对摩擦副有限元模型的全局刚度矩阵进行静态压缩,得到了不包含内部节点自由度的接触刚度矩阵。其次,在Archard磨损定律的基础上对含有接触刚度矩阵的特征根方程进行求解,获得了从磨合磨损阶段过渡到稳定磨损阶段过程中任意时刻下接触压强的变化规律。为磨损过程中接触压强的实时预测提供了一种简便、高效的方法。基于粗糙表面的统计学特征,从微观热力学入手,对滑动过程中微凸体间的相互作用机理以及由此产生的导热问题进行了探讨。对GW接触模型进行了发展,建立了滑动粗糙表面的瞬态导热模型,对由于体积温差产生的平均名义热流以及平均名义接触压强等参数进行了预测。同时,对滑动过程中的滑动接触热导进行了有效评估,发现接触热导不仅与接触压强近似成线性关系,而且与滑动速度的平方根成正比,与RMS表面粗糙度的3/4次方成反比。上述结论为宏观导热的有限元数值分析提供了边界条件,使得有限元模型中无需建立复杂的粗糙表面,仅仅需要输入材料特性和表面粗糙参数。对微凸体的闪点温度进行了理论研究,得到了单对微凸体接触过程中的闪点温度随微凸体间最大贯穿深度而单调变化的函数关系式。闪点温度随着接触时间的增大先升高后降低,在总接触时间约为82.5%的时刻达到最大值。平均名义接触压强对接触面上的平均闪点温度的影响非常的小。对实际微凸体的接触过程进行了仿真模拟,发现无量纲总导热量和无量纲闪点温度仅仅取决于无量纲参数Peclet数。高Peclet数下,无量纲总导热量与1 2Pe?成正比,无量纲闪点温度与1 2Pe成正比;低Peclet数下,无量纲总导热量与Pe成反比,无量纲闪点温度与Pe成正比。最终提出了适用于全部Peclet数的无量纲总热交换量和闪点温度的表达式。对往复运动形式对由于温差导致的宏观接触导热的影响进行了仿真分析。通过对有限元软件ABAQUS进行二次开发,将接触热导定义为滑动速度、接触压强、材料热物性以及表面粗糙度的函数。研究了反映位移幅值与上滑块长度之比的无量纲参数?,无量纲频率?,以及包含了滑动副的材料特性、表面粗糙参数和接触载荷的无量纲参数?对法向无量纲平均热流密度的影响规律,为内燃机活塞环-缸套往复滑动接触导热的工程化研究奠定了基础。
【关键词】：摩擦学 导热 滑动接触 粗糙表面 有限元方法
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB302.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-19
• 第1章 绪论19-39
• 1.1 选题的背景及意义19-20
• 1.2 摩擦磨损理论研究进展20-26
• 1.2.1 摩擦理论研究20-22
• 1.2.2 磨损理论研究22-26
• 1.3 粗糙表面接触模型研究进展26-32
• 1.3.1 基于统计学的粗糙表面接触模型研究26-29
• 1.3.2 基于分形技术的粗糙表面接触模型研究29-32
• 1.4 粗糙表面的接触热动力学研究进展32-37
• 1.4.1 粗糙表面接触热动力学的理论研究32-34
• 1.4.2 粗糙表面接触热动力学的数值研究34-36
• 1.4.3 粗糙表面接触热动力学的实验研究36-37
• 1.5 本文的主要研究内容37-39
• 第2章 摩擦磨损过程中弹性接触问题的数值解法39-61
• 2.1 有限元静态压缩理论39-45
• 2.1.1 符号规定39-40
• 2.1.2 刚度矩阵的静态压缩过程40-42
• 2.1.3 两个弹性体之间的接触问题42-45
• 2.2 弹性体与刚体之间的接触计算分析45-49
• 2.2.1 活塞环接触刚度矩阵的数值解法45-46
• 2.2.2 活塞环接触刚度矩阵的解析方法46-47
• 2.2.3 数值方法和解析法的结果比较47-49
• 2.3 磨损过程中接触压力的预测研究49-59
• 2.3.1 接触压强数学模型的建立50-53
• 2.3.2 时变载荷和速度下的接触压强53-55
• 2.3.3 三维问题分析55-56
• 2.3.4 实例分析56-59
• 2.4 本章小结59-61
• 第3章 滑动粗糙表面的瞬态导热研究61-90
• 3.1 单对微凸体的瞬态接触过程61-78
• 3.1.1 单对微凸体的接触模型61-63
• 3.1.2 单对微凸体的导热分析63-78
• 3.2 微凸体接触的统计学特征78-82
• 3.2.1 确定GW模型参数78-79
• 3.2.2 单次接触作用发生的概率79-80
• 3.2.3 微凸体的高度分布80
• 3.2.4 总摩擦生热量80-81
• 3.2.5 由体积温差引起的总导热量81
• 3.2.6 名义热流密度81-82
• 3.2.7 平均名义压强82
• 3.2.8 接触总数82
• 3.3 接触热导82-84
• 3.4 准分形表面84-87
• 3.4.1 分形参数及截止频率的影响85-87
• 3.4.2 最高截止频率的范围87
• 3.5 宏观有限元模型的边界条件87-88
• 3.6 本章小结88-90
• 第4章 微凸体瞬态接触过程中的接触压力及闪点温度研究90-114
• 4.1 接触压力的统计特性91-96
• 4.1.1 单对微凸体接触作用的功率谱91-92
• 4.1.2 总接触力的功率谱92-94
• 4.1.3 总接触力的无量纲功率谱94-96
• 4.2 闪点温度96-101
• 4.2.1 单对微凸体接触过程中的闪点温度96-98
• 4.2.2 闪点温度比较98-99
• 4.2.3 闪点温度的统计分布99-100
• 4.2.4 平均闪点温度100-101
• 4.3 单对微凸体瞬态接触导热的数值分析101-112
• 4.3.1 维数分析103-105
• 4.3.2 有限元仿真105-106
• 4.3.3 结果分析106-109
• 4.3.4 Smith和Arnell的结果分析109-111
• 4.3.5 讨论111-112
• 4.4 本章小结112-114
• 第5章 相对运动对宏观导热的影响114-129
• 5.1 接触热阻的理论分析114-118
• 5.1.1 接触热阻的产生机理114-115
• 5.1.2 接触热阻的影响因素115-116
• 5.1.3 接触热阻模型概述116-118
• 5.2 滑动粗糙表面间的宏观导热分析118-121
• 5.2.1 热传导方程118-119
• 5.2.2 宏观热传导的无量纲分析119-120
• 5.2.3 平均热流密度120-121
• 5.3 滑动粗糙表面间宏观导热问题的有限元分析121-128
• 5.3.1 有限元仿真121-123
• 5.3.2 结果分析123-128
• 5.4 本章小结128-129
• 第6章 结论129-134
• 6.1 全文总结129-132
• 6.2 论文创新点132
• 6.3 后续工作展望132-134
• 参考文献134-144
• 附录 1144-146
• 瞬态导热的高斯积分144-145
• 总摩擦生热量145
• 由温差引起的总导热量145-146
• 附录 2146-149
• 在读博士期间发表论文与研究成果149-150
• 致谢150-151
• 作者简介151

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 徐烈，杨军，徐佳梅，周淑亮，胡江武，张存泉，唐应堂;低温下固体表面接触热阻的研究[J];低温与超导;1996年01期

2 龚钊;杨春信;;接触热阻理论模型的简化[J];工程热物理学报;2007年05期

3 温诗铸;;材料磨损研究的进展与思考[J];摩擦学学报;2008年01期

4 魏龙;刘其和;张鹏高;;基于分形理论的滑动摩擦表面接触力学模型[J];机械工程学报;2012年17期

5 俞建卫;程清;魏巍;李奇亮;;基于红外测温的面接触摩擦温度场研究[J];润滑与密封;2013年04期

6 杨婷婷;程清;俞建卫;解挺;;基于动态数据的端面摩擦热-力耦合分析[J];润滑与密封;2014年06期

7 骆华荣;高诚辉;;双粗糙面滑动摩擦热力耦合有限元分析[J];机械制造与自动化;2014年03期

，

本文编号：611544