本文關(guān)鍵詞：影響摩擦磨損的接觸熱動(dòng)力學(xué)特性研究

  更多相關(guān)文章： 摩擦學(xué) 導(dǎo)熱 滑動(dòng)接觸 粗糙表面 有限元方法

【摘要】：在科技高速發(fā)展的今天,能源消耗、材料損失和環(huán)境污染仍然是世界各國(guó)在發(fā)展中所面臨的難題,而摩擦磨損是造成能源消耗和材料損失的主要原因之一。摩擦副的摩擦和磨損程度并不是材料本身的固有特性,而是一個(gè)受各種因素影響的實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。本文基于接觸熱動(dòng)力學(xué)特性,主要針對(duì)摩擦副在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的壓力、溫度、導(dǎo)熱量等的變化規(guī)律從理論分析和仿真模擬兩方面進(jìn)行了研究,主要研究?jī)?nèi)容如下:在有限元靜態(tài)壓縮方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合特征值理論為摩擦副在磨損過(guò)程中的接觸問(wèn)題的求解提供了新的方法。首先,采用有限元靜態(tài)壓縮法對(duì)摩擦副有限元模型的全局剛度矩陣進(jìn)行靜態(tài)壓縮,得到了不包含內(nèi)部節(jié)點(diǎn)自由度的接觸剛度矩陣。其次,在Archard磨損定律的基礎(chǔ)上對(duì)含有接觸剛度矩陣的特征根方程進(jìn)行求解,獲得了從磨合磨損階段過(guò)渡到穩(wěn)定磨損階段過(guò)程中任意時(shí)刻下接觸壓強(qiáng)的變化規(guī)律。為磨損過(guò)程中接觸壓強(qiáng)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)提供了一種簡(jiǎn)便、高效的方法。基于粗糙表面的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征,從微觀熱力學(xué)入手,對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中微凸體間的相互作用機(jī)理以及由此產(chǎn)生的導(dǎo)熱問(wèn)題進(jìn)行了探討。對(duì)GW接觸模型進(jìn)行了發(fā)展,建立了滑動(dòng)粗糙表面的瞬態(tài)導(dǎo)熱模型,對(duì)由于體積溫差產(chǎn)生的平均名義熱流以及平均名義接觸壓強(qiáng)等參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。同時(shí),對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中的滑動(dòng)接觸熱導(dǎo)進(jìn)行了有效評(píng)估,發(fā)現(xiàn)接觸熱導(dǎo)不僅與接觸壓強(qiáng)近似成線性關(guān)系,而且與滑動(dòng)速度的平方根成正比,與RMS表面粗糙度的3/4次方成反比。上述結(jié)論為宏觀導(dǎo)熱的有限元數(shù)值分析提供了邊界條件,使得有限元模型中無(wú)需建立復(fù)雜的粗糙表面,僅僅需要輸入材料特性和表面粗糙參數(shù)。對(duì)微凸體的閃點(diǎn)溫度進(jìn)行了理論研究,得到了單對(duì)微凸體接觸過(guò)程中的閃點(diǎn)溫度隨微凸體間最大貫穿深度而單調(diào)變化的函數(shù)關(guān)系式。閃點(diǎn)溫度隨著接觸時(shí)間的增大先升高后降低,在總接觸時(shí)間約為82.5%的時(shí)刻達(dá)到最大值。平均名義接觸壓強(qiáng)對(duì)接觸面上的平均閃點(diǎn)溫度的影響非常的小。對(duì)實(shí)際微凸體的接觸過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬,發(fā)現(xiàn)無(wú)量綱總導(dǎo)熱量和無(wú)量綱閃點(diǎn)溫度僅僅取決于無(wú)量綱參數(shù)Peclet數(shù)。高Peclet數(shù)下,無(wú)量綱總導(dǎo)熱量與1 2Pe?成正比,無(wú)量綱閃點(diǎn)溫度與1 2Pe成正比;低Peclet數(shù)下,無(wú)量綱總導(dǎo)熱量與Pe成反比,無(wú)量綱閃點(diǎn)溫度與Pe成正比。最終提出了適用于全部Peclet數(shù)的無(wú)量綱總熱交換量和閃點(diǎn)溫度的表達(dá)式。對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)形式對(duì)由于溫差導(dǎo)致的宏觀接觸導(dǎo)熱的影響進(jìn)行了仿真分析。通過(guò)對(duì)有限元軟件ABAQUS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),將接觸熱導(dǎo)定義為滑動(dòng)速度、接觸壓強(qiáng)、材料熱物性以及表面粗糙度的函數(shù)。研究了反映位移幅值與上滑塊長(zhǎng)度之比的無(wú)量綱參數(shù)?,無(wú)量綱頻率?,以及包含了滑動(dòng)副的材料特性、表面粗糙參數(shù)和接觸載荷的無(wú)量綱參數(shù)?對(duì)法向無(wú)量綱平均熱流密度的影響規(guī)律,為內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)-缸套往復(fù)滑動(dòng)接觸導(dǎo)熱的工程化研究奠定了基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：摩擦學(xué) 導(dǎo)熱 滑動(dòng)接觸 粗糙表面 有限元方法
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TB302.3
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-19
• 第1章 緒論19-39
• 1.1 選題的背景及意義19-20
• 1.2 摩擦磨損理論研究進(jìn)展20-26
• 1.2.1 摩擦理論研究20-22
• 1.2.2 磨損理論研究22-26
• 1.3 粗糙表面接觸模型研究進(jìn)展26-32
• 1.3.1 基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的粗糙表面接觸模型研究26-29
• 1.3.2 基于分形技術(shù)的粗糙表面接觸模型研究29-32
• 1.4 粗糙表面的接觸熱動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展32-37
• 1.4.1 粗糙表面接觸熱動(dòng)力學(xué)的理論研究32-34
• 1.4.2 粗糙表面接觸熱動(dòng)力學(xué)的數(shù)值研究34-36
• 1.4.3 粗糙表面接觸熱動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究36-37
• 1.5 本文的主要研究?jī)?nèi)容37-39
• 第2章 摩擦磨損過(guò)程中彈性接觸問(wèn)題的數(shù)值解法39-61
• 2.1 有限元靜態(tài)壓縮理論39-45
• 2.1.1 符號(hào)規(guī)定39-40
• 2.1.2 剛度矩陣的靜態(tài)壓縮過(guò)程40-42
• 2.1.3 兩個(gè)彈性體之間的接觸問(wèn)題42-45
• 2.2 彈性體與剛體之間的接觸計(jì)算分析45-49
• 2.2.1 活塞環(huán)接觸剛度矩陣的數(shù)值解法45-46
• 2.2.2 活塞環(huán)接觸剛度矩陣的解析方法46-47
• 2.2.3 數(shù)值方法和解析法的結(jié)果比較47-49
• 2.3 磨損過(guò)程中接觸壓力的預(yù)測(cè)研究49-59
• 2.3.1 接觸壓強(qiáng)數(shù)學(xué)模型的建立50-53
• 2.3.2 時(shí)變載荷和速度下的接觸壓強(qiáng)53-55
• 2.3.3 三維問(wèn)題分析55-56
• 2.3.4 實(shí)例分析56-59
• 2.4 本章小結(jié)59-61
• 第3章 滑動(dòng)粗糙表面的瞬態(tài)導(dǎo)熱研究61-90
• 3.1 單對(duì)微凸體的瞬態(tài)接觸過(guò)程61-78
• 3.1.1 單對(duì)微凸體的接觸模型61-63
• 3.1.2 單對(duì)微凸體的導(dǎo)熱分析63-78
• 3.2 微凸體接觸的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征78-82
• 3.2.1 確定GW模型參數(shù)78-79
• 3.2.2 單次接觸作用發(fā)生的概率79-80
• 3.2.3 微凸體的高度分布80
• 3.2.4 總摩擦生熱量80-81
• 3.2.5 由體積溫差引起的總導(dǎo)熱量81
• 3.2.6 名義熱流密度81-82
• 3.2.7 平均名義壓強(qiáng)82
• 3.2.8 接觸總數(shù)82
• 3.3 接觸熱導(dǎo)82-84
• 3.4 準(zhǔn)分形表面84-87
• 3.4.1 分形參數(shù)及截止頻率的影響85-87
• 3.4.2 最高截止頻率的范圍87
• 3.5 宏觀有限元模型的邊界條件87-88
• 3.6 本章小結(jié)88-90
• 第4章 微凸體瞬態(tài)接觸過(guò)程中的接觸壓力及閃點(diǎn)溫度研究90-114
• 4.1 接觸壓力的統(tǒng)計(jì)特性91-96
• 4.1.1 單對(duì)微凸體接觸作用的功率譜91-92
• 4.1.2 總接觸力的功率譜92-94
• 4.1.3 總接觸力的無(wú)量綱功率譜94-96
• 4.2 閃點(diǎn)溫度96-101
• 4.2.1 單對(duì)微凸體接觸過(guò)程中的閃點(diǎn)溫度96-98
• 4.2.2 閃點(diǎn)溫度比較98-99
• 4.2.3 閃點(diǎn)溫度的統(tǒng)計(jì)分布99-100
• 4.2.4 平均閃點(diǎn)溫度100-101
• 4.3 單對(duì)微凸體瞬態(tài)接觸導(dǎo)熱的數(shù)值分析101-112
• 4.3.1 維數(shù)分析103-105
• 4.3.2 有限元仿真105-106
• 4.3.3 結(jié)果分析106-109
• 4.3.4 Smith和Arnell的結(jié)果分析109-111
• 4.3.5 討論111-112
• 4.4 本章小結(jié)112-114
• 第5章 相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)宏觀導(dǎo)熱的影響114-129
• 5.1 接觸熱阻的理論分析114-118
• 5.1.1 接觸熱阻的產(chǎn)生機(jī)理114-115
• 5.1.2 接觸熱阻的影響因素115-116
• 5.1.3 接觸熱阻模型概述116-118
• 5.2 滑動(dòng)粗糙表面間的宏觀導(dǎo)熱分析118-121
• 5.2.1 熱傳導(dǎo)方程118-119
• 5.2.2 宏觀熱傳導(dǎo)的無(wú)量綱分析119-120
• 5.2.3 平均熱流密度120-121
• 5.3 滑動(dòng)粗糙表面間宏觀導(dǎo)熱問(wèn)題的有限元分析121-128
• 5.3.1 有限元仿真121-123
• 5.3.2 結(jié)果分析123-128
• 5.4 本章小結(jié)128-129
• 第6章 結(jié)論129-134
• 6.1 全文總結(jié)129-132
• 6.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)132
• 6.3 后續(xù)工作展望132-134
• 參考文獻(xiàn)134-144
• 附錄 1144-146
• 瞬態(tài)導(dǎo)熱的高斯積分144-145
• 總摩擦生熱量145
• 由溫差引起的總導(dǎo)熱量145-146
• 附錄 2146-149
• 在讀博士期間發(fā)表論文與研究成果149-150
• 致謝150-151
• 作者簡(jiǎn)介151

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前7條

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本文編號(hào)：611544