影响摩擦磨损的接触热动力学特性研究.pdf

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1、影响摩擦磨损的接触热动力学特性研究刘雨薇2015年6月中图分类号：TK05UDC分类号：621.7影响摩擦磨损的接触热动力学特性研究作者姓名刘雨薇学院名称机械与车辆学院指导教师张卫正教授答辩委员会主席廖日东教授申请学位工学博士学科专业动力机械及工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月StudyontheeffectofthermodynamiccharacteristicsofmovingcontactonfrictionandwearCandidateName：YuweiLiuSchoolorDepart

2、ment:MechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.WeizhengZhangChair,ThesisCommittee：Prof.RidongLiaoDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：PowerMachineryandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究

3、工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要在科技高速发展的今天，能源消耗、材料损失和环境污染仍然是世界各国在发展中所面临的难题，而摩擦磨损是造成能源消耗和材料损失的主要原因之一。摩擦副的摩擦和磨损程度并不是材料本身的固有特性，而是一个受各种因素影响的

4、实时的动态过程。本文基于接触热动力学特性，主要针对摩擦副在运动过程中的压力、温度、导热量等的变化规律从理论分析和仿真模拟两方面进行了研究，主要研究内容如下：在有限元静态压缩方法的基础上，结合特征值理论为摩擦副在磨损过程中的接触问题的求解提供了新的方法。首先，采用有限元静态压缩法对摩擦副有限元模型的全局刚度矩阵进行静态压缩，得到了不包含内部节点自由度的接触刚度矩阵。其次，在Archard磨损定律的基础上对含有接触刚度矩阵的特征根方程进行求解，获得了从磨合磨损阶段过渡到稳定磨损阶段过程中任意时刻下接触压强的变化规律。为磨损过

5、程中接触压强的实时预测提供了一种简便、高效的方法。基于粗糙表面的统计学特征，从微观热力学入手，对滑动过程中微凸体间的相互作用机理以及由此产生的导热问题进行了探讨。对GW接触模型进行了发展，建立了滑动粗糙表面的瞬态导热模型，对由于体积温差产生的平均名义热流以及平均名义接触压强等参数进行了预测。同时，对滑动过程中的滑动接触热导进行了有效评估，发现接触热导不仅与接触压强近似成线性关系，而且与滑动速度的平方根成正比，与RMS表面粗糙度的3/4次方成反比。上述结论为宏观导热的有限元数值分析提供了边界条件，使得有限元模型中无需建立复

6、杂的粗糙表面，仅仅需要输入材料特性和表面粗糙参数。对微凸体的闪点温度进行了理论研究，得到了单对微凸体接触过程中的闪点温度随微凸体间最大贯穿深度而单调变化的函数关系式。闪点温度随着接触时间的增大先升高后降低，在总接触时间约为82.5%的时刻达到最大值。平均名义接触压强对接触面上的平均闪点温度的影响非常的小。对实际微凸体的接触过程进行了仿真模拟，发现无量纲总导热量和无量纲闪点温度仅仅取决于无量纲参数Peclet数。高1212Peclet数下，无量纲总导热量与Pe成正比，无量纲闪点温度与Pe成正比；低Peclet数下，无量纲

7、总导热量与Pe成反比，无量纲闪点温度与Pe成正比。最终提出了适用于全部Peclet数的无量纲总热交换量和闪点温度的表达式。I北京理工大学博士学位论文对往复运动形式对由于温差导致的宏观接触导热的影响进行了仿真分析。通过对有限元软件ABAQUS进行二次开发，将接触热导定义为滑动速度、接触压强、材料热物性以及表面粗糙度的函数。研究了反映位移幅值与上滑块长度之比的无量纲参数，无量纲频率，以及包含了滑动副的材料特性、表面粗糙参数和接触载荷的无量纲参数对法向无量纲平均热流密度的影响规律，为内燃机活塞环-缸套往复滑动接触导热的工

8、程化研究奠定了基础。关键词：摩擦学；导热；滑动接触；粗糙表面；有限元方法II北京理工大学博士学位论文AbstractWiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology,energyconsumption,materi-allossandenvironmentalpollutio