三维弹塑性滚滑接触问题的研究

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1、三维弹塑性滚/滑接触问题的研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：李冬龙指导教师：王茜教授王战江副教授专业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二O一五年五月Studyon3DElasto-PlasticRolling/SlidingContactProblemsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByLiDonglongSupervisedbyProf.WangQianAssociateProf

2、.WangZhanjiangSpecialty:MechanicalDesignandTheoryCollegeofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay2015中文摘要摘要滚动、滑动接触是各类机械传动中普遍的现象，广泛存在于齿轮传动、轴承转动、机车轮轨接触过程中。机械传动件表面在反复滚动、滑动挤压形式下内部产生的塑性变形与接触表面的疲劳寿命有着必然联系，从而与整个机器的安全性、可靠性息息相关。本论文是基于重庆大学机械传动国家重点实验室自主课题“传动零部件的界面力学分析与研究”和“典型滚滑传动接触失效与材

3、料变化依据,”针对三维弹塑性滚动、滑动接触下物体内部应力、应变的研究。从典型弹塑性点接触模型出发，到深沟球轴承椭圆接触问题的应用分析，再到弹塑性滚滑接触模型，最后将滚动接触模型应用到有硬度梯度材料的接触问题中，分析材料的硬度梯度与疲劳寿命的联系，以期能够为可靠的应力、应变与疲劳寿命的关系提供分析方法，并为未来机械传动件的抗疲劳设计提供一定的理论参考。首先，本文研究了弹塑性点接触问题。通过试验观察了不锈钢304表面形貌在反复挤压过程中的变化，验证了粗糙表面点接触模型的计算结果。结果表明：粗糙表面的点接触模型可以较好地模拟实际工程表面的接触问题，再现工程表面粗糙峰下的表面压力、表面塑性变形以

4、及内部应力应变的分布。考虑到正常工况下深沟球轴承中滚动体与内外圈之间的接触区域很小，将滚动体小球与内外圈的接触问题处理成椭圆接触问题。运用椭圆接触模型研究轴承中最大弹性趋近量、径向负荷,应力应变的分布。结果表明：对比简化公式计算的轴承刚体位移，三维椭圆接触模型可以很好地处理轴承的静态接触问题。其中改变接触物体的椭圆率能够影响轴承滚动体的刚体位移。最后，通过滚滑接触模型来分析表面摩擦力所引起的接触物体内部的应力应变。并通过滚动接触模型研究物体内部不同的硬度梯度对材料疲劳寿命、内部应力、应变的影响。结果表明：接触表面摩擦力可以使材料内部发生与滑动方向相反的塑性流动，同时可以加快材料达到sha

5、kedwon特性；经过表面技术处理后的材料内部存在硬度梯度，能使同等载荷作用下次表面塑性区域中的最大残余vonMises应力更加靠近材料表面。另外，表面技术处理后材料内部最大vonMises应力位置处的硬度越大，材料本身的疲劳寿命就越长。关键词：三维滚滑接触，表面形貌，滚动疲劳寿命I英文摘要ABSTRACTRollingandslidingcontactisacommonphenomenoninvariouspowerandmotiontransmissions,whichwidelyexistsintheprocessesofgearing,bearingrotation,andrai

6、l-wheelcontact.Duringrepeatedrollingor/andsliding,plasticdeformationmayoccurinthematerialsofmechanicaltransmissioncomponents,whichmayaffectthesurfacecontactfatiguelifeandthusinfluencethesecurityandreliabilityofthemechanicalsystem.Theworkreportedinthisthesisisaportionoftheresearchintheprojectsfrom

7、theStateKeyLaboratoryofMechanicalTransmissionofChongqingUniversity,titled“InterfacialMechanicsforMechanicalTransmissionComponents”and“TypicalTransmissionContactFailureandEvidenceofMaterialVariation”,targetingattheconta