本文關(guān)鍵詞：聚合物復合材料摩擦界面遷移過程的數(shù)值模擬研究

  更多相關(guān)文章： 摩擦轉(zhuǎn)移 離散元 PFC2D 粗糙度 填料 運動規(guī)律

【摘要】：聚合物材料在與金屬對偶件滑動接觸時，會在摩擦界面上發(fā)生界面遷移，導致在金屬對偶件表面形成一層轉(zhuǎn)移膜。轉(zhuǎn)移膜的存在能夠有效地降低聚合物材料的磨損。研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移膜的形成是由于機械嵌合、物理和化學鍵合等綜合作用使得聚合物在接觸的金屬表面發(fā)生粘附并逐漸擴展，最后形成較均勻完整的轉(zhuǎn)移膜。轉(zhuǎn)移膜在形成與長大過程中，始終伴隨著局部脫落和再修復過程，當形成較完整的轉(zhuǎn)移膜后便處于動態(tài)平衡狀態(tài)。但實驗研究很難動態(tài)觀察和再現(xiàn)聚合物材料摩擦磨損過程中轉(zhuǎn)移膜的動態(tài)形成過程，而這一過程對于實現(xiàn)轉(zhuǎn)移膜的有效控制和摩擦學性能優(yōu)化至關(guān)重要，也是實現(xiàn)摩擦性能調(diào)控的關(guān)鍵問題。有鑒于此，本文選用基于離散元開發(fā)的二維顆粒流程序（PFC2D）對PTFE/45鋼摩擦磨損進行建模和模擬，系統(tǒng)研究了45鋼表面粗糙度對PTFE摩擦轉(zhuǎn)移與磨損規(guī)律的影響，，填料含量對Cu/PTFE復合材料摩擦性能的影響及PTFE基體顆粒在摩擦磨損過程中的運動規(guī)律，從微觀層面上再現(xiàn)PTFE/45鋼摩擦界面遷移的動態(tài)過程，定量地描述轉(zhuǎn)移、磨損等問題，對聚合物復合材料的摩擦轉(zhuǎn)移研究具有指導意義。主要研究結(jié)論如下： （1）PTFE/45鋼摩擦磨損過程模擬顯示，靠近摩擦界面的PTFE顆粒從基體脫落，一部分作為轉(zhuǎn)移顆粒吸附在45鋼表面，形成PTFE轉(zhuǎn)移顆粒層；一部分作為磨損顆粒被排出摩擦界面。且在摩擦磨損初始階段，轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)逐漸增大，一段時間后隨著轉(zhuǎn)移顆粒層的形成與完整，轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)趨于一個定值且保持動態(tài)平衡，表明轉(zhuǎn)移顆粒層已達到穩(wěn)定平衡階段，并伴隨著局部的脫落與再修復。隨著轉(zhuǎn)移顆粒層（轉(zhuǎn)移膜）的形成與穩(wěn)定，PTFE基體磨損速率顯著下降，并維持在一個穩(wěn)定的磨損速率。 （2）對45鋼表面粗糙度（Rz=0.3~1.5μm）對PTFE摩擦轉(zhuǎn)移與磨損規(guī)律的影響研究表明：45鋼表面粗糙度對PTFE的轉(zhuǎn)移顆粒和磨損顆粒具有一定的影響。在一定的范圍內(nèi)（Rz=0.3~1.2μm），轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)隨著Rz值的增加而增加較明顯，但當Rz值增大到一定值（Rz=1.2μm）后，轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)隨著Rz值的增大而增加的趨勢較之Rz=0.3~1.2μm時小。而磨損顆粒數(shù)普遍隨著Rz值的增加而增加，但在Rz=0.9μm時出現(xiàn)最大磨損顆粒數(shù)。 （3）對填料含量對Cu/PTFE復合材料摩擦性能研究表明：填料Cu的加入一方面促進了轉(zhuǎn)移顆粒層的形成，提高了轉(zhuǎn)移顆粒層與對偶表面的粘結(jié)強度；另一方面提高了復合材料整體強度，對顆粒的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生了一定的抑制作用。在Cu含量為20%時，PTFE基復合材料最終轉(zhuǎn)移顆粒數(shù)最多，當Cu含量為50%時，轉(zhuǎn)移顆粒最少。同時填料Cu的加入降低了PTFE基復合材料的磨損，且隨著Cu含量的增加，減磨效果越來越好。當Cu含量達到50%時，PTFE基復合材料的磨損顆粒數(shù)較純PTFE減少了近一半。 （4）對PTFE基體顆粒在摩擦磨損過程中的運動規(guī)律研究表明：PTFE基體內(nèi)部顆粒在材料摩擦磨損過程中，會在水平方向和豎直方向發(fā)生運動，且其運動范圍主要發(fā)生在PTFE摩擦過程所形成的類流層中。顆粒在水平位置的運動方向主要與下試樣45鋼的運動方向保持一致性，即PTFE基體內(nèi)部的顆粒在材料摩擦過程中水平位置的運動方向保持跟隨性；在豎直方向上，顆粒在PTFE基體內(nèi)部主要發(fā)生向上的運動。對同一層分布的3個顆粒球在PTFE基體內(nèi)部水平方向的移動范圍坐標分析可以得出，中間顆粒球在水平方向的位置移動范圍要大于靠近模型邊緣的兩邊顆粒球的移動范圍。
【關(guān)鍵詞】：摩擦轉(zhuǎn)移 離散元 PFC2D 粗糙度 填料 運動規(guī)律
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TH117.1;TB33
【目錄】：

• 致謝7-8
• 摘要8-10
• Abstract10-14
• 插圖清單14-16
• 表格清單16-17
• 第一章 緒論17-24
• 1.1 摩擦磨損17
• 1.2 摩擦磨損數(shù)值模擬17-22
• 1.2.1 有限單元法（Finite Element Method，簡稱 FEM）17-19
• 1.2.2 離散單元法（Discrete Element Method，簡稱 DEM）19-21
• 1.2.3 其它數(shù)值模擬方法21-22
• 1.3 課題研究意義和研究內(nèi)容22-24
• 1.3.1 研究意義及項目來源22
• 1.3.2 主要研究內(nèi)容22-24
• 第二章 PFC2D 軟件簡介24-35
• 2.1 PFC2D 顆粒流程序24-32
• 2.1.1 PFC2D 顆粒流方法24
• 2.1.2 PFC2D 基本力學理論24-28
• 2.1.3 PFC2D 顆粒流程序接觸本構(gòu)模型28-32
• 2.2 PFC2D 解題的一般過程32-35
• 第三章 摩擦副數(shù)值模型的建立35-42
• 3.1 摩擦副系統(tǒng)的建立35
• 3.2 PTFE/45 鋼摩擦系統(tǒng)數(shù)值模型的建立35-41
• 3.2.1 摩擦副數(shù)值模型的建立35-36
• 3.2.2 本構(gòu)模型的選擇及模型細觀參數(shù)的設定36-38
• 3.2.3 邊界條件的設定38-39
• 3.2.4 基本假設條件39-40
• 3.2.5 轉(zhuǎn)移顆粒與磨損顆粒的定義40-41
• 3.3 摩擦界面顆粒分層41-42
• 第四章 對偶件表面粗糙度對摩擦轉(zhuǎn)移及磨損影響的數(shù)值模擬42-52
• 4.1 數(shù)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 鋼摩擦副數(shù)值模型與邊界條件的建立44
• 4.2 PTFE/45 鋼摩擦磨損的動態(tài)過程44-46
• 4.3 對偶件表面粗糙度對 PTFE 摩擦轉(zhuǎn)移與磨損的影響46-51
• 4.3.1 不同偶件表面粗糙度下 PTFE 的摩擦轉(zhuǎn)移和磨損的過程模擬46-48
• 4.3.2 對偶件表面粗糙度對 PTFE 摩擦轉(zhuǎn)移和磨損的影響分析48-51
• 4.4 本章小結(jié)51-52
• 第五章 填料含量對 PTFE 材料摩擦磨損的影響52-63
• 5.1 數(shù)值模型的建立52-55
• 5.1.1 Cu 顆粒填充的 PTFE 基復合材料數(shù)值模型的建立52-53
• 5.1.2 模型細觀參數(shù)的設定53-54
• 5.1.3 摩擦副數(shù)值模型與邊界條件的建立54-55
• 5.2 摩擦磨損動態(tài)過程55-56
• 5.3 銅含量對復合材料摩擦磨損的影響分析56-61
• 5.4 本章小結(jié)61-63
• 第六章 PTFE 基體內(nèi)部顆粒運動規(guī)律分析63-81
• 6.1 數(shù)值模型的建立63-65
• 6.1.1 PTFE/45 鋼摩擦副數(shù)值模型與邊界條件的建立63-64
• 6.1.2 顆粒球與坐標系的選取64-65
• 6.2 顆粒運動規(guī)律分析65-80
• 6.2.1 0 號參考球的運動規(guī)律65-66
• 6.2.2 顆粒在水平方向（X 方向）的運動66-77
• 6.2.3 顆粒在豎直方向（Y 方向）的運動77-80
• 6.3 本章小結(jié)80-81
• 第七章 總結(jié)與展望81-83
• 7.1 總結(jié)81-82
• 7.2 展望82-83
• 參考文獻83-89
• 參與的科研項目和發(fā)表的論文89-90

【參考文獻】

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本文編號：937078