滑动摩擦热结构耦合有限元分析

摘要

本文以环环摩擦磨损系统为研究对象，通过有限单元法，利用ANSYS软件对环环摩擦副进行了热结构耦合分析和摩擦副的表面接触状况分析，为实现基本的摩擦学接触问题和磨损问题的仿真提供了方法与途径。主要研究内容及结果如下： 1．根据滑动摩擦磨损过程建立了热、结构耦合的数学模型，运用四节点的有限单元对数学模型进行离散化，采用牛顿迭代法进行迭代计算，给出合适收敛容差，实现对滑动摩擦磨损的有限元数值模拟。 2．基于有限元理论基础，建立环环摩擦磨损有限元模型，利用ANSYS软件对环环摩擦副进行了热结构耦合分析。有限元模型应力分析结果表明：接触应力分布是不均匀的，最大接触应力在接触面中线处；最大摩擦应力在摩擦接触表面的中线区域。有限元模型温度场分析结果表明：在滑动摩擦过程中，由于摩擦生热，接触区温度逐渐上升，最高温度在接触面中线并向外扩展，温度分布从接触面向四周呈递减趋势，温度梯度越来越小，接触表层最高温度与转速和载荷成近似线性关系。 3．设计了环环磨损的试验方案，对试验结果与仿真分析结果进行了对比分析。结果表明：仿真计算与试验结果有较好的对应性。摩擦副的摩擦系数随转速的增加而减小，随载荷的增加而增大；接触摩擦面上温度随载荷和转速的增大而提高，且基本上呈线性增长趋势；磨损量随着时间的推移而增大，在0-12min时间段磨损量增长很快，12-18min时间段内，磨损量增长平稳，18min后，磨损量急剧增大。转速、载荷的增大会使摩擦材料的磨损形式由原来的单一粘着磨损转变为粘着磨损与磨粒磨损复合的磨损形式，磨损量增大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1 章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 摩擦磨损的仿真研究的现状

1.2.1 国外摩擦磨损仿真研究

1.2.2 国内摩擦磨损仿真研究

1.2.3 摩擦热结构有限元分析

1.2.4 目前存在的问题

1.3 有限元软件概述

1.4 论文研究的主要内容

第2 章 滑动摩擦的有限元数值算法

2.1 结构分析有限元建模方法

2.1.1 弹性材料本构关系

2.1.2 塑性材料本构关系及有限元实现

2.1.3 接触分析

2.1.4 等参有限元的离散化

2.1.5 虚位移原理

2.1.6 非线性分析的Newton—Raphson法及其收敛极限

2.2 热传导有限元建模方法

2.2.1 热传导有限元方程

2.2.2 滑动摩擦磨损温度场分析的有限元实现

2.2.3 热、结构耦合场分析有限元建模方法

2.3 本章小结

第3章 滑动摩擦的热结构耦合有限元分析

3.1 环环试验机的有限元分析模型

3.1.1 导热模型及热分析的基本假设

3.1.2 边界条件

3.1.3 对流传热系数a的确定

3.1.4 材料性能

3.1.5 摩擦系数的确定

3.1.6 热流密度的计算

3.1.7 接触热阻处理

3.2 ANSYS软件热结构耦合分析

3.2.1 耦合场分析的定义及类型

3.2.2 ANSYS软件热结构耦合分析的基本步骤

3.2.3 滑动摩擦ANSYS热结构耦合分析过程

3.3 有限元仿真结果的分析与讨论

3.3.1 环环试验机应力场有限元仿真结果分析

3.3.2 环环试验机温度场有限元仿真结果分析

3.4 本章小结

第4 章 环环滑动摩擦磨损试验及数据分析

4.1 试验设计方案

4.1.1 试验目的

4.1.2 试验设备

4.1.3 试验对象

4.1.4 试验规程

4.2 试验结果及数据处理

4.2.1 摩擦系数的测量

4.2.2 温度的测量

4.2.3 磨损量的测量

4.2.4 摩擦表面形态的分析

4.3 本章总结

第5 章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

附录：攻读硕士期间发表的论文

致 谢