滑动摩擦温度场及传热过程熵产生分析

摘要

摩擦是典型的非平衡态不可逆过程，粗糙的接触表面在相对滑动过程中产生的热引起的温度变化会使热应力较大，导致热疲劳发生，还会响影响到强度、硬度、等其他性能。由于摩擦表面的实际接触面积远小于名义接触面积且不连续，导致了温度分布不均匀，引起摩擦副表面受热变形不均匀。本文基于实际接触面积对滑动摩擦过程中的热传导进行分析。
　　本文以熵作为摩擦传热过程的表征量，把摩擦传热用统一的量纲进行系统的描述;分析了熵产生的热力学含义，根据摩擦传热的熵产生公式对熵产生进行分析。
　　(1)根据实际接触表面的粗糙度、轮廓峰高度函数等其他参数确定实际接触面积的摩擦分析建模。
　　(2)摩擦过程温度场分析。根据摩擦分析模型和滑动摩擦过程中温度场的计算公式，分析摩擦过程中温度场的变化规律，研究滑动速度、载荷、摩擦因数对温度场的影响。得到了温度场随摩擦因数、载荷、滑动速度的增大而增大。
　　(3)进行摩擦生热过程有限元分析。本文采用Workbench建立瞬态热传导热有限元模型，设定材料的性能参数、边界条件，进行摩擦过程瞬态温度场分析，同时研究滑动速度、载荷、摩擦因数对温度场的影响。随着载荷、摩擦因数和相对滑动速度的增大摩擦接触面的滑动摩擦热效应越明显。
　　(4)熵产生分析。利用滑动摩擦过程中温度场的计算公式，进行熵产生计算公式的推导，根据熵产生公式求解出摩擦热传导过程熵产生的变化规律。研究滑动速度、载荷、摩擦因数的变化对熵产生的影响。得出熵产生随着载荷、摩擦因数与滑动速度的增大而增大且比温度的变化幅度大。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 摩擦接触模型的研究现状

1．2．2 摩擦热研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第2章 热力学熵理论

2．1 熵概念的提出

2．2 熵含义的分析

2．3 熵在摩擦学研究中的意义

2．4 摩擦体系的熵平衡方程

2．5 本章小结

第3章 实际接触面积摩擦模型

3．1 固体表面形态

3．1．1 表面形貌参数

3．1．2 取样长度的选取

3．1．3 表面轮廓峰密度

3．2 表面形貌的统计学特性

3．2．1 高度分布函数

3．2．2 分布曲线的偏差

3．2．3 峰顶的曲率半径

3．3 模型的建立

3．3．1 一个粗糙峰与刚性平面接触

3．3．2 实际粗糙表面的接触

3．3．3 实际接触面积模型的建立

3．4 本章小结

第4章 摩擦过程温度场分析

4．1 基础理论

4．1．1 摩擦生热

4．1．2 传热基本方式

4．1．3 导热微分方程

4．1．4 导热微分方程三类边界条件

4．2 摩擦生热状态分析

4．2．1 热流密度分配的计算

4．2．2 上滑块模型温度分析

4．2．3 分析模型的边界条件

4．3 摩擦传热过程中参数设置

4．3．1 材料的性能和几何参数

4．3．2 热源形状

4．4 结果分析

4．4．1 表面温度分析

4．4．2 不同参数对温升影响

4．5 本章小结

第5章 摩擦生热Workbench分析

5．1 引言

5．1．1 Workbench滑动摩擦分析处理

5．2 瞬态摩擦生热有限元建模

5．2．1 热传导有限元方程

5．2．2 摩擦温度场的基本方程

5．2．3 瞬态摩擦温度模型的有限元表示

5．2．4 有限元分析模型建立

5．2．5 边界条件设定

5．2．6 材料性能

5．3 滑动摩擦温度的仿真计算

5．3．1 分析前处理

5．3．2 Workbench分析模型具体加载与结果计算

5．4 仿真结果分析

5．4．1 温度场Workbench分析结果

5．4．2 不同参数对温度场的影响

5．5 本章小结

6．1 引言

6．2 摩擦过程的热传导熵分析

6．3 计算结果分析

6．3．1 随滑块深度的计算结果分析

6．3．2 不同参数对熵产生的影响

6．4 本章小结

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢