软三体摩擦界面的光学法原位观察和理论分析

摘要

实际接触表面由于存在磨损颗粒、固体颗粒润滑介质、研磨颗粒等，常形成三体接触的情况，而之前的表面接触理论和试验研究大多停留在二体接触。三体颗粒流润滑在工程领域中已经得到越来越多的应用，但由于微凸体分布的随机性、颗粒运动的无序性，相关的三体接触理论研究相对落后。
　　为了建立合理的三体接触模型和理论，首先采用光学法实时动态的原位观察三体摩擦界面，其中下试件为光学透明的玻璃，一方面可以充分了解表面粗糙度、载荷、滑移速度、粉末量四个参数对三体接触过程中第三体的破坏形式、破坏过程、三体分布真实接触面积比的影响，尤其是粘附效应是否存在以及大小的影响因素进行充分分析;另一方面三体原位观察试验为三体接触理论的研究提供可靠的数据依据。
　　其次将第三体颗粒类比为流体，基于雷诺方程、粘度方程、GW模型等建立含大颗粒粗糙界面的三体接触模型，分析第三体颗粒的浓度、直径以及试件的表面形貌、弹性模量对三体接触界面的承载和摩擦力的影响;同时还分析特定膜厚、表面粗糙度、纹理方向的三体接触界面的承载和摩擦力分布。
　　最终结合模拟结果，进一步膜厚、表面粗糙度、载荷对承载和摩擦力分布的影响，并验证模拟结果的正确性。研究结果表明:第三体的破坏过程包括粉末完整、局部破坏、破坏扩散、粘附破坏、完全破坏五个阶段，粗糙度、载荷较大才有粘附破坏阶段;对三体接触过程中的微凸体、纹理以及膜厚进行模拟，接触界面的纹理和微凸体的相互影响，直接影响承载和摩擦力的分布，合理的选择粗糙度和设计纹理方向有助于提高承载、减小摩擦力，使得粉末层具有更好的减摩抗磨性能;将三体摩擦界面的第三体颗粒破坏形式、破坏过程与建立模型的模拟结果相结合，分析第三体的各种破坏形式、破坏过程的机理。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 原位观察法

1．3 理论模型

1．3．1 二体接触模型

1．3．2 三体接触模型

1．4 国内外现状评述

1．5 本文研究内容

第二章 软三体摩擦界面的光学法原位观察及结果分析

2．1 引言

2．2 试验设备及试验方案

2．2．1 试验设备

2．2．2 试验材料

2．2．3 试验方案

2．3 三体摩擦界面状况的动态表征

2．3．1 真实接触面积比的测量方法

2．3．2 真实接触面积比的处理过程

2．4 试验结果及分析

2．4．1 第三体破坏形式

2．4．2 三体界面的第三体分布变化

2．4．3 不同工况对真实接触面积比的影响

2．5 本章小结

第三章 考虑表面粗糙度和大颗粒承载的软三体接触模型

3．1 引言

3．2 基本理论和模型

3．2．1 三体接触的物理模型

3．2．2 雷诺方程

3．2．3 粘度方程

3．2．4 载荷分配

3．2．5 摩擦力

3．3 数值计算

3．3．1 数值计算过程

3．3．2 求解过程简介

3．4 结果与分析

3．4．1 不同假设的分析

3．4．2 三种承载和摩擦力

3．4．3 颗粒直径与浓度对力学特性的影响

3．4．4 粗糙度和弹性模量对力学性能的影响

3．4．5 颗粒直径和粗糙度耦合对力学性能的影响

3．4．6 颗粒直径和弹性模量耦合对力学性能的影响

3．4．7 颗粒浓度和粗糙度耦合对力学性能的影响

3．4．8 颗粒浓度和弹性模量耦合对力学性能的影响

3．5 本章小结

第四章 三体接触界面的表面形貌和膜厚对力学性能影响

4．1 引言

4．2 理论分析

4．2．1 物理模型

4．2．2 数值计算方法

4．3 数值计算和结果

4．3．1 微凸体模拟

4．3．2 纹理模拟

4．3．3 真实表面模拟

4．4 模拟结果及分析

4．4．1 光滑斜形面的模拟结果及分析

4．4．2 微凸体模拟结果及分析

4．4．3 磨痕的模拟结果及分析

4．4．4 真实接触表面的模拟结果及分析

4．4．5 膜厚比的模拟结果及分析

4．5 结论

第五章 三体摩擦界面试验与模拟结果的综合分析

5．1 引言

5．2 摩擦界面粉末的破坏形式和破坏过程的机理解释

5．2．1 粉末破坏形式的机理解释

5．2．2 粉末破坏过程的机理解释

5．3 三体摩擦界面的特性分析

5．3．1 不同粗糙度摩擦界面的特性分析

5．3．2 不同载荷摩擦界面的特性分析

5．3．3 不同粉末量的摩擦界面

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况