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基于数字化技术的UHMWPE材料摩擦学特性研究

2020-11-23阅读(963)

基于数字化技术的UHMWPE材料摩擦学特性研究

论文摘要

以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)为代表的热塑性工程塑料在生物医学、微电子机械、海洋工程等高新科技领域以及粮食加工、纺织机械、化工机械等行业中发挥着越来越重要的作用，成为极具应用前景的新型摩擦学材料。但是，在实际使用过程中，UHMWPE等热塑性工程塑料的摩擦学性能还存在一些难以克服的不足，最具代表性的问题是对摩擦温升很敏感，其材料强度，变形与蠕变性能都受到温度的影响。尽管如此，在某些工况条件下，由于系统对这些材料除了摩擦学性能以外的其它性能的特殊要求，使得它们目前还具有不可替代性，因此，热塑性塑料的摩擦学问题已经成为具有重大科学意义的基础研究课题。 受到国家自然科学基金项目(50175041)的资助，本文主要开展了以下几个方面的研究工作： (1) 首先对研究背景和意义进行了论述，明确了解决问题的基本途径。 (2) 基于宏观地表和微观真实表面之间的内在相似性，将规范的三维表面描述模型DEM方法引入摩擦学，实现了DEM方法对物体真实表面形貌的规范描述，为微观真实粗糙表面几何形貌描述提供了一种新的手段。根据科学计算可视化原理，从二维数字化图像识别技术入手，开发了由二维高度图像获得到三维表面的高度数据的计算程序，解决了三维模型高度数据获取的问题，并经过对AFM，Taylor Hobson等实测表面的重构验证，确定了该方法的实用性和准确性。 (3) 针对一般接触模型仿真计算中使用参数比较简单，不适用UHMWPE等热塑性塑料摩擦接触研究的问题，专门测定了常温和变温条件下UHMWPE真实变形规律——真实应力应变曲线和温度对强度影响曲线，并将其应用到基于真实压缩变形规律柱状接触模型的建模，使得模型更准确地反映了UHMWPE材料摩擦接触过程中的压缩变形和摩擦热影响规律，更具有实用价值。提出了柱状模型的接触计算方法和计算流程，并编制了相应的计算软件SimConW，用于UHMWPE表面的动态承载能力和摩擦功率分布的量化评价，为UHMWPE材料表面形貌和表面织构的摩擦学评价奠定了基础。 (4) 研制了用于评价摩擦热对UHMWPE的摩擦学性能影响的准绝热试验装置。应用元胞自动机对摩擦表面温度分布随时间的变化情况进行了模拟计算，寻找影响摩擦温

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究背景及意义
  • 1.2 基于数字化技术构建真实表面接触模型
  • 1.2.1 摩擦表面接触模型构建方法及基于数字化技术建模技术的应用
  • 1.2.2 摩擦表面建模的技术基础
  • 1.2.3 商业化建模软件功能及其摩擦学应用
  • 1.3 表面织构的摩擦学研究与应用
  • 1.3.1 表面织构的摩擦学应用
  • 1.3.2 表面结构制作的计算机辅助设计
  • 1.3.3 表面织构的制作加工技术
  • 1.4 本文主要研究内容与技术路线
  • 第二章 三维表面形貌的数字化描述方法
  • 2.1 三维表面描述规范
  • 2.1.1 DEM的描述规范
  • 2.1.2 DEM计算地形属性
  • 2.1.3 DEM模型与摩擦表面三维几何建立过程的相关性
  • 2.2 三维表面数字化的工作流程
  • 2.2.1 图像数据识别重建映射表读取表面相对高度
  • 2.2.2 模型重建正确性检验
  • 2.3 利用地表数据生成技术得到数字化粗糙表面
  • 2.4 本章小结
  • 第三章 基于数字化表面的柱状接触模型
  • 3.1 UHMWPE真实变形规律实验测定
  • 3.1.1 常温下UHMWPE真实压缩变形规律测定
  • 3.1.2 变温下UHMWPE真实压缩变形规律测定
  • 3.2 基于数字化表面的柱状接触模型的建立
  • 3.2.1 表面测量量化与图像量化的关系
  • 3.2.2 数据精炼与处理
  • 3.2.3 区域采样规则
  • 3.2.4 基于真实表面的接触模型的计算原理与流程
  • 3.2.5 利用接触模型评价表面静态承载能力
  • 3.2.6 接触模型仿真计算接触面摩擦功功率分布
  • 3.3 本章小节
  • 第四章 摩擦热对UHMWPE摩擦学性能的影响
  • 4.1 试验部分
  • 4.2 试验结果及讨论
  • 4.2.1 摩擦系数及其与表层温度的相关性
  • 4.2.2 表面温度分布的模拟计算
  • 4.2.3 表面形貌对温度分布的影响
  • 4.2.4 摩擦热对聚合物摩擦流变作用机理的探讨
  • 4.3 本章小结
  • 第五章 UHMWPE微米级表面织构制作及其摩擦学性能
  • 5.1 人造微米级表面织构的设计
  • 5.2 人造微米级表面织构的制作以及模型预测计算
  • 5.2.1 人造微米级表面织构模板的制作
  • 5.2.2 人造微米级表面织构的制作
  • 5.2.3 人造表面织构等不同表面的支撑能力计算比较
  • 5.3 摩擦学试验
  • 5.4 结果与讨论
  • 5.4.1 人造表面织构对试样摩擦系数和形变的影响
  • 5.4.2 人造表面织构改变表面的接触热阻分布从而改善摩擦热的传导
  • 5.5 本章小节
  • 第六章 摩擦蠕变交替状态下人造表面织构摩擦学研究
  • 6.1 试验条件
  • 6.2 试验结果与讨论
  • 6.2.1 摩擦系数比较
  • 6.2.2 蠕变磨损比较
  • 6.2.3 压缩与热变形机理分析
  • 6.3 本章小结
  • 第七章 本文开发的摩擦学研究相关软件
  • 7.1 接触模型计算软件SimConW
  • 7.1.1 高度图自动裁剪功能介绍
  • 7.1.2 仿真计算功能介绍
  • 7.2 ImageAnalysis图像分析系统
  • 7.3 磨损试验分析系统
  • 7.4 热电偶温度测试系统
  • 7.5 本章小结
  • 第八章 全文主要成果、结论及研究展望
  • 8.1 全文主要成果和结论
  • 8.2 研究展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 附录

    • 相关论文文献

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