基于有限单元法的表面涂层微动疲劳接触应力分析

摘要

目前全球经济飞速发展，同时，对自然资源的肆意开发和对自然环境的无偿利用造成了全球生态破坏、资源浪费、环境污染等严重问题。再制造工程是符合国家可持续发展战略的一项绿色系统工程，是解决资源浪费、环境污染以及废旧装备翻新的最佳方法和途径。作为再制造工程关键技术的表面工程技术是处理废旧零部件表面腐蚀和磨损的有效手段。对使用表面工程技术再制造的产品在涂层设计阶段进行涂层的微动疲劳接触应力的分析，指导涂层的设计以提高涂层性能，具有十分重大的现实意义。
　　本论文首先以有限元法和经典赫兹接触理论为基础、带涂层的圆柱微动垫模型为研究对象、大型有限元分析软件ABAQUS为工具，建立了可靠的圆柱微动垫表面涂层接触体系有限元模型，计算了圆柱微动垫表面涂层接触体系模型接触区域应力的分布，分别研究了垂直压力、轴向载荷幅和摩擦系数对涂层/基体界面上和涂层接触面上的应力分布以及接触半宽和接触滑动区域的影响。然后，以MSR参数和SSI参数方法为基础，并结合有限元计算结果，分别运用两种参数预测了圆柱微动垫模型表面涂层的疲劳裂纹的萌生特性(包括裂纹萌生位置及方向)，通过比较SSI参数和MSR参数，验证出SSI参数预测圆柱微动垫模型表面涂层裂纹萌生特性的可行性，分析了两种参数的区别。最后，通过改变微动垫上的垂直压力、平面试件上的循环载荷幅值以及微动垫和试件之间的摩擦系数，用SSI参数来预测裂纹的萌生特性，分析接触区应力的改变对微动疲劳裂纹的萌生的特性影响。

目录

文摘

英文文摘

致谢

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第一章 绪论

1.1 研究的背景、目的和意义

1.1.1 研究的背景和目的

1.1.2 研究的意义

1.2 绿色再制造工程与表面工程概述

1.2.1 绿色再制造工程概述

1.2.2 绿色表面工程概述

1.3 微动疲劳研究的发展和国内外研究现状分析

1.3.1 微动疲劳发展历史

1.3.2 微动疲劳的特征及分类

1.3.3 微动疲劳试验装置

1.3.4 微动疲劳行为和寿命影响因素

1.3.5 微动疲劳损伤机理的研究

1.3.6 微动疲劳失效评估

1.3.7 减缓或防护微动疲劳的方法

1.4 论文的主要研究内容

1.4.1 基于赫兹接触理论建立精确的微动垫有限元模型

1.4.2 表面涂层微动疲劳接触应力的有限元分析

1.4.3 表面涂层微动疲劳萌生特性

1.4.4 接触区应力对表面涂层微动疲劳的影响

第二章 接触理论及有限元模型建立

2.1 赫兹接触基本理论

2.2 接触问题及其有限元分析

2.2.1 接触问题概述

2.2.2 ABAOUS的接触分析

2.3 圆柱微动垫有限元模型的建立及其精确度控制

2.3.1 ABAQUS简介

2.3.2 分析类型的选择

2.3.3 有限元几何模型的建立

2.3.4 定义材料参数和分析步的场变量输出

2.3.5 相互作用和载荷的施加

2.3.6 网格划分以及分析作业提交

2.3.7 结果查看和模型精度控制

2.4 圆柱微动垫表面涂层有限元模型的建立

2.4.1 定义涂层

2.4.2 添加载荷及调整接触参数

2.5 本章小结

第三章 表面涂层微动疲劳接触应力的有限元分析

3.1 有限元分析分组规划

3.2 表面涂层接触分析

3.2.1 垂直压力的改变对接触状态的影响

3.2.2 轴向循环载荷幅值的改变对接触状态的影响

3.2.3 摩擦系数的改变对接触状态的影响

3.3 垂直压力对接触区和涂层/基体结合处应力分布的影响

3.3.1 垂直压力对X方向应力分布影响

3.3.2 垂直压力对Y方向应力分布影响

3.3.3 垂直压力对XY方向应力分布影响

3.4 轴向循环载荷幅值对接触区和涂层/基体结合处应力分布的影响

3.4.1 循环载荷幅值对X方向应力分布影响

3.4.2 循环载荷幅值对Y方向应力分布影响

3.4.3 循环载荷幅值对XY方向应力分布影响

3.5 摩擦系数对接触区和涂层/基体结合处应力分布的影响

3.5.1 摩擦系数对X方向应力分布影响

3.5.2 摩擦系数对Y方向应力分布影响

3.5.3 摩擦系数对XY方向应力分布影响

3.6 本章小结

第四章 表面涂层微动疲劳裂纹的萌生特性

4.1 MSR参数与SSI参数

4.1.1 MSR参数

4.1.2 SSI参数

4.2 圆柱微动垫模型表面涂层的裂纹萌生特性

4.3 本章小结

第五章 接触应力对涂层表面微动疲劳的萌生特性影响

5.1 作用在微动垫上的垂直压力的改变

5.2 作用在试件上的循环载荷幅的改变

5.3 接触面间的摩擦系数的改变

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间参与的科研项目