發(fā)布時(shí)間：2019-09-09 10:29

【摘要】：高副接觸的摩擦部件中廣泛使用1μm左右的超薄膜,其界面失效對(duì)部件的工作壽命具有重要影響。該文針對(duì)軸承鋼基底表面1μm厚度的硬質(zhì)和軟質(zhì)超薄膜所構(gòu)成的膜基系統(tǒng),建立了線接觸載荷作用下的界面力學(xué)分析模型。采用復(fù)變函數(shù)鏡像法求解了單元點(diǎn)力的格林函數(shù)解,并積分獲得了界面應(yīng)力的分布狀態(tài)。利用勻質(zhì)模型完成了退化對(duì)比驗(yàn)證,以DLC和MoS_2兩種硬軟固體薄膜的線接觸為例進(jìn)行了計(jì)算和分析。該方法可用于機(jī)械部件表面沉積超薄膜的膜基界面分析與設(shè)計(jì)。
【圖文】：

。在軸承、齒輪接觸分析中采用有限元方法計(jì)算超薄膜-基底的界面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，由于薄膜尺度與接觸影響區(qū)尺度差異較大，有限元網(wǎng)格劃分存在較大困難，計(jì)算量也較大。本文針對(duì)軸承鋼表面的亞微米尺度超薄膜的工程應(yīng)用，考慮建立線接觸載荷作用下的膜-基系統(tǒng)界面力學(xué)模型，并通過位勢(shì)理論鏡像法進(jìn)行求解，以獲得薄膜-基底系統(tǒng)內(nèi)部的應(yīng)力與變形分布狀態(tài)，為實(shí)際工程應(yīng)用中的薄膜設(shè)計(jì)和膜基界面分析提供參考。1超薄膜-基底系統(tǒng)界面力學(xué)建模對(duì)超薄膜-基底系統(tǒng)進(jìn)行界面力學(xué)分析建模時(shí)，根據(jù)問題對(duì)象采用雙材料結(jié)合系統(tǒng)，如圖1所示。膜基系統(tǒng)在與對(duì)偶件接觸并發(fā)生摩擦的狀態(tài)下，薄膜表面在力載的作用下受力變形，如圖1中受力變形區(qū)域所示。在接觸區(qū)域中，薄膜受到與其表面垂直和平行的力系作用。如圖1所示，基底材料II表面沉積厚度為h的超薄膜材料I，在基底與薄膜交界處形成膜基界面，XYhaaq()p()dO11E,22E,0pS1O圖1膜基系統(tǒng)表面力載分布Fig.1Surfaceloadsofsolidthinfilm-substratesystem薄膜上表面為自由表面。以膜基界面為X坐標(biāo)軸(實(shí)數(shù)軸)，過O1點(diǎn)引X軸垂線為Y坐標(biāo)軸(虛數(shù)軸)，，兩坐標(biāo)軸相交于坐標(biāo)系原點(diǎn)O，由此建立全局坐標(biāo)系XOY。設(shè)薄膜材料I和基底材料II的彈性模量分別為E1、E2，泊松比分別為1、2。因?yàn)槌∧は鄬?duì)于基底厚度(設(shè)厚度為h)差異極大，基底可視為半無限大空間。對(duì)于不同大小或分布形式的表面力系，均可以根據(jù)膜基系統(tǒng)表面受基礎(chǔ)單位力(單元法向力和單元切向力)作用的解，通過格林函數(shù)的積分形式進(jìn)行表達(dá)：只需按照表面力系分布形式進(jìn)行積分或疊加即可獲得相應(yīng)表面載荷問題的解。表面分布載荷可沿作用區(qū)域以單位點(diǎn)力的積分表示為：d[()i()]dSSLpq(1)式

?設(shè)厚度為h)差異極大，基底可視為半無限大空間。對(duì)于不同大小或分布形式的表面力系，均可以根據(jù)膜基系統(tǒng)表面受基礎(chǔ)單位力(單元法向力和單元切向力)作用的解，通過格林函數(shù)的積分形式進(jìn)行表達(dá)：只需按照表面力系分布形式進(jìn)行積分或疊加即可獲得相應(yīng)表面載荷問題的解。表面分布載荷可沿作用區(qū)域以單位點(diǎn)力的積分表示為：d[()i()]dSSLpq(1)式(1)中：S為表面分布載荷作用區(qū)域；L為單元點(diǎn)力載荷；η為表面力系分布區(qū)域的積分變量；p(η)和q(η)分別為單元法向力和單元切向力。提取單元力p(η)和q(η)，由此建立圖2所示表1OXYO1CQ(x,y)h3O2O3C2CLp()21x21y1R3R2R22x22y13211E,22E,y1y2x1x1x2x2xyq()圖2膜基系統(tǒng)界面力學(xué)分析模型Fig.2Analysismodelofinterfacemechanicsforsolidthinfilm-substratesystem
【作者單位】： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)航空宇航摩擦學(xué)研究室;
【基金】：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275125,U1537214,51475452) 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(973)(2013CB632305)
【分類號(hào)】：TB383.2

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本文編號(hào)：2533536