过渡层模型及其润滑性能研究

论文摘要

在微机电系统、纳机电系统以及微纳器件中,与面积相关的摩擦力、黏滞力等成为制约系统性能的关键因素,这一点与宏观机械明显不同。常规流体润滑中,可以认为黏度不受摩擦副壁面的作用;然而,在微纳系统中,当摩擦副间隙下降到微纳尺度间隙时,摩擦副壁面对润滑剂黏度的作用则不能忽视。本文提出一种数学计算模型来描述微纳尺度间隙下黏度的变化,我们称之为过渡层模型。过渡层模型认为,在微纳尺度间隙下,黏度变化分为三层,即靠近两固体壁面的两个过渡层及中间流体层。过渡层中的润滑剂受到固体壁面的作用,而且越靠近壁面,所受影响越在。所以,过渡层中流体黏度可以根据距离壁面的远近来确定。中间流体层远离两固体壁面,可以认为它不受壁面的作用,黏度保持恒定。据此,我们建立了过渡层模型等效黏度的数学模型。并且推导了基于过渡层模型的二维、三维Reynolds方程。求解二维与三维Reynolds方程并对过渡层模型的润滑性能进行了深入的分析与讨论。计算结果表明,过渡层比例很小时可以忽略其作用而润滑与常规流体类似当过渡黏度层所占比例增大到一定程度后,其润滑特性与常规流体有较大差异。这一模型可以解释微纳尺度间隙下的尺度效应等特征,具有较广泛的应用前景。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 序
• 第一章 绪论
• 1.1 微纳尺度间隙下制造技术及其对摩擦学的挑战
• 1.1.1 微结构制造技术
• 1.1.2 纳米精度加工技术
• 1.1.3 纳米间隙控制技术
• 1.1.4 纳米运动精度控制技术
• 1.1.5 表面微改性技术
• 1.2 微纳尺度间隙润滑研究现状
• 1.2.1 微纳尺度间隙润滑膜厚测试技术
• 1.2.2 微纳尺度间隙下的润滑特性
• 1.2.3 微纳尺度间隙润滑的机理探索
• 1.2.4 微纳尺度间隙润滑的计算理论研究
• 1.2.5 微纳尺度间隙润滑的失效研究
• 1.3 本文研究的内容
• 第二章 过渡层模型与Reynolds推导
• 2.1 过渡层模型提出背景
• 2.2 Reynolds方程推导
• 2.2.1 三维过渡层模型的等效黏度
• 2.2.2 三维Reynolds方程推导
• 2.2.3 二维Reynolds方程
• 2.3 本章小结
• 第三章 多重网格法求解Reynolds方程与程序实现
• 3.1 多重网格法产生的背景
• 3.2 多重网格算法
• 3.3 多重网格的程序实现
• 3.4 本章小结
• 第四章 二维计算结果与讨论
• 4.1 过渡层比例大小对压力的直接影响
• 4.1.1 单侧过渡层比例变化对压力分布的作用
• 4.1.2 双侧过渡层比例变化对压力分布的作用
• 4.2 过渡层比例对压力分布的间接作用
• 4.2.1 压力分布随摩擦副壁面速度的变化关系
• 4.2.2 压力分布随油膜出口高度的变化关系
• 4.2.3 压力分布随壁面黏度与中心流体层黏度的变化关系
• 4.3 本章小结
• 第五章 三维计算结果与讨论
• 5.1 过渡层比例对压力分布的直接作用
• 5.1.1 单侧过渡层比例的变化对压力分布的作用
• 5.1.2 双侧过渡层比例的变化对压力分布的作用
• 5.2 过渡层比例对压力分布的间接作用
• 5.2.1 压力分布随摩擦副壁面速度的变化关系
• 5.2.2 压力分布随油膜出口高度的变化关系
• 5.2.3 压力分布随摩擦副壁面黏度的变化关系
• 5.3 本章小结
• 第六章 微纳尺度间隙膜厚测量试验
• 6.1 试验仪器简介
• 6.2 试验结果分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录A 多重网格法求解线接触问题的基本结构和程序
• 附录B 多重网格法求解点接触问题的基本结构和程序
• 作者简历
• 学位论文数据集