含颗粒介质的粗糙摩擦界面三体接触建模与力学分析

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实验研究大多停留在二体接触。基于G-W模型，通过分析第三体对表面形貌产生的影响，结合对存在第三体的实际接触状况的观测，建立了填隙效应和覆盖效应两个模型，完成了粗糙表面接触到粗糙表面三体接触的转换，提出了研究三体接触问题的一个新方法，明确了第三体在接触过程中的作用。得出了粗糙表面三体接触过程中，载荷、第一体间距、真实接触面积之间的关系，并分析其影响因素。在此基础上通过填隙效应和覆盖效应与刘峰壁三体弹性接触模型的结合，分析了粉末润滑中大颗粒在三体接触中的力学作用。结合对石墨润滑接触过程中粉末层的破坏过程的实验观测，分析大颗粒对接触状况和粉末层破坏的影响，以及具体的破坏形式。
　　粉末润滑的应用实际上是动态的剪切过程。通过HESHMAT等人的模拟和实验数据，可知通过雷诺方程求解粉末润滑的载荷分布是可行的方法。通过表面形貌和膜厚方程的结合，在最后的载荷分布计算结果中得出表面形貌的影响，同时，通过点接触雷诺方程计算润滑粉末中大颗粒物质和表面微凸体的承载特性。最终通过有限差分法，得到综合的三维载荷分布图，重点分析了表面形貌变化对载荷分布的影响，结合实验观测分析粉末润滑应用问题，并通过程序设计模拟真实的接触表面。
　　光滑楔形间隙载荷分布成平滑的曲线，各部分载荷大小不同，在较小的区域承担着较大载荷。粉末润滑状态下剪切接触过程中，表面形貌会对接触载荷分布产生影响。粉末中的大颗粒物质会产生载荷堵塞效应，对粉末层造成破坏。由于载荷的不均匀分布在接触的各个区域的摩擦力大小也不相同。结合实验观测，粉末层在接触间隙经历良好、微损、破损、破坏四个阶段。粉末层的破坏是一个短时间的过程。在摩擦磨损后期由于润滑粉末没有持续加入，摩擦间隙的粉末层变薄，此时载荷分布不均匀，大颗粒物质影响等因素的破坏作用变得十分明显。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 颗粒流润滑

1．3 理论模型

1．3．1 Hertz弹性接触模型

1．3．2 统计学接触模型

1．3．3 分形模型

1．3．4 粗糙表面三体接触

1．4 颗粒流润滑数值模拟研究

1．4．1 连续介质模型

1．4．2 非连续介质模型

1．4．3 三体摩擦界面的多尺度研究方法

1．5 实验

1．6 国内外研究现状评述

1．7 本文研究内容

第二章 粗糙表面粉末润滑静压分析

2．1 引言

2．2 理论分析与计算

2．2．1 G-W模型与三体接触界面

2．2．2 两种效应

2．2．3 大颗粒光滑表面三体接触：三体弹性模型

2．3 数值计算

2．3．1 粉末润滑计算

2．3．2 混入大颗粒的粉末润滑

2．3．3 计算流程图

2．4 结果讨论

2．4．1 两种效应对载荷与无量纲间距关系的影响

2．4．2 综合效应对载荷与无量纲间距关系的影响

2．4．3 两种效应对接触面积的影响

2．4．4 表面参数变化影响

2．4．5 大颗粒含量因素

2．4．6 颗粒粒径因素

2．5 实验分析

2．5．1 实验装置

2．5．2 实验方案

2．5．3 实验结果分析

2．6 本章小结

第三章 粉末润滑类流体动压分析

3．1 引言

3．2 理论分析

3．3 雷诺方程

3．3．1 量纲一化

3．3．2 有限差分法求解雷诺方程

3．3．3 MATLAB软件求解

3．4 理论模型

3．4．1 雷诺方程

3．4．2 粘度方程

3．4．3 考虑随表面形貌变化的膜厚方程

3．4．4 微凸体和颗粒承载

3．4．5 剪切力计算

3．4．6 求解流程图

3．5 计算结果及分析

3．5．1 平行板接触结果分析

3．5．2 楔形板接触结果分析

3．6 实验分析

3．7 本章小结

第四章 真实接触表面力学分析

4．1 引言

4．2 理论分析

4．3 表面模拟

4．3．1 微凸体模拟

4．3．2 表面磨痕模拟

4．3．3 真实表面模拟

4．4 计算分析

4．4．1 随机表面计算结果分析

4．4．2 具体数量微凸体表面计算结果及分析

4．4．3 两种尺度微凸体表面计算结果及分析

4．4．4 磨痕模拟结果及分析

4．4．5 综合结果及分析

4．5 本章小结

第五章：总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况