滑动表面微循环仿生润滑效应及局域失效机理研究

论文摘要

当工程中的滑动摩擦副表面间的间隙为恒定时,不满足动压润滑充要条件中的收敛楔要求；其润滑状态取决于表面织构分布即Abbott支撑面积曲线；为此,论文基于仿生原理,结合水生物表面特征,设计了类仿生网格结构表面,以微循环动压峰补偿恒间隙无宏观动压润滑的不足,并以此揭示微循环润滑效应及其局域失效机理；研究得到国家自然科学基金的资助。本文构建和采用飞秒激光和数控加工制备出具有不同结构形态的网格织构表面,并基于其形貌特征进行了数学表征。为了研究仿生网格织构的微动压润滑效应,文中采用可视化方法对不同网格织构表面进行了摩擦学试验,测量了其油膜厚度、摩擦系数及润滑液流动特性,并基于理论分析和有限元法,揭示了其微循环效应。研究表明：文中构建的的仿生网格织构可在其菱形单元交点处形成微动压力峰,此峰能够有效地改善接触处的润滑性能；以此为基础,推导了工况参数与仿生网格织构表面的互作用机理和形成动压润滑的工况范围。针对仿生网格织构局域表面的润滑不连续现象,研究了网格织构菱形单元的微弹流润滑效应；并将材料本构特征耦合进Hertz理论中,推导出了描述摩擦表面接触变形模型及微循环表面弹流润滑模型,揭示了表面形貌与润滑性之间的相互作用规律；在此基础上,论文以仿生胞体自润滑材料为典型例,探讨了材料特性对局域变形的影响。研究表明,在微循环润滑中,材料性能与表面形貌的相耦合,是揭示其弹流润滑效应的有效方法,研究为滑动表面网格织构设计和材料设计提供了理论依据。为了揭示微循环润滑过程中的局域失效机理,论文探讨了微弹性区的变形和热失稳问题。基于网格织构菱形单元表面的粗糙分形特征,分析了摩擦热分布形态对表面粗糙度及速度的响应,运用热控制方程和有限单元法研究了工况参数对局域接触力及其失效的影响,揭示了局域接触区的失效形态及与工况参数(特别是高速和高载荷)的相互联系规律；研究为极端工况条件下的摩擦表面失效分析提供了理论基础。为了进一步改善网格织构形态对润滑的影响,对网格织构几何参数进行了优化设计。本文采用无量纲宽A,无量纲深度比Γ和夹角θ的结构特征表征形式,建立了可表征上述参数网格织构单元体的润滑理论模型,分析了网格形态参数对其润滑的影响。结果表明：具有微循环网格形态的滑动表面可有效地改善其摩擦系数,其几何参数对润滑的影响呈现互耦合机制；该研究可为滑动表面微循环网格织构优化设计提供理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 主要符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 表面织构润滑影响
• 1.1.1 表面织构的加工方法
• 1.1.2 表面织构对润滑影响的应用研究
• 1.1.3 基于微观粗糙度的润滑分析模型的研究
• 1.2 滑动表面仿生润滑的研究概况
• 1.3 微循环润滑的研究概况
• 1.4 课题研究的背景、意义及其科学要点
• 1.4.1 选题的背景
• 1.4.2 选题的目的和意义
• 1.4.3 课题来源
• 1.4.4 研究的主要内容与拟解决的关键问题
• 1.4.5 研究的技术路线
• 1.4.6 本文的写作框架
• 第2章 微循环润滑表面仿生网格织构设计及其表征
• 2.1 引言
• 2.2 微循环网格织构设计原理
• 2.3 微循环仿生网格织构设计及其表征
• 2.3.1 基于鲨鱼表皮的仿生设计
• 2.3.2 网格织构表面微观织构造型
• 2.3.3 仿生网格织构的表征
• 2.4 本章结论
• 第3章 表面微循环动压润滑效应研究
• 3.1 引言
• 3.2 微循环动压润滑模型及其求解算法
• 3.2.1 网格织构表面的动压润滑模型
• 3.2.2 网格织构表面的动压润滑有限元分析理论
• 3.3 网格织构表面的润滑性能试验
• 3.4 网格织构润滑性能的试验结果
• 3.4.1 网格织构表面的润滑磨损性能
• 3.4.2 网格织构表面的摩擦性能
• 3.4.3 网格织构表面的润滑剂流动性能
• 3.5 网格织构表面润滑状态的STRIBECK曲线特征描述
• 3.6 本章结论
• 第4章 表面微循环局域弹流润滑效应研究
• 4.1 引言
• 4.2 微循环润滑局域接触变形特征研究
• 4.2.1 局域接触形态
• 4.2.2 局域工程表面表征
• 4.3 微循环弹流润滑模型
• 4.3.1 局域弹性接触变形计算模型
• 4.3.2 局域弹流润滑计算模型
• 4.3.3 微循环局域弹流润滑的数值求解方法
• 4.4 微循环局域润滑效应讨论
• 4.5 基于材料特性的局域弹流润滑实例应用分析
• 4.5.1 材料微弹性模量计算
• 4.5.2 弹性模量的影响
• 4.5.3 材料结构特征的影响
• 4.6 表面微弹流补偿效应实验例
• 4.6.1 试样及其试验条件
• 4.6.2 试验结果和讨论
• 4.7 本章结论
• 第5章 表面微循环润滑局域失效机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 微循环润滑局域接触热弹性变形特征
• 5.2.1 局域热弹性耦合接触变形计算
• 5.2.2 材料热参数对局域热弹性接触变形的影响
• 5.3 微循环润滑局域接触磨损研究
• 5.3.1 局域接触区的表面温升模型
• 5.3.2 局域接触区的热传导方程
• 5.3.3 局域接触区摩擦热分析计算
• 5.4 局域接触区的磨损模型
• 5.4.1 磨损失效的理论分析
• 5.4.2 模型的可信度评估
• 5.5 局域磨损失效分析
• 5.5.1 滑动速度对磨损的影响
• 5.5.2 表面粗糙度对磨损的影响
• 5.5.3 载荷对磨损的影响
• 5.5.4 接触变形对磨损的影响
• 5.6 粗糙表面局域磨损失效的动态过程
• 5.7 本章结论
• 第6章 微循环润滑表面网格织构的优化设计研究
• 6.1 引言
• 6.2 建立网格织构表面优化设计的数学模型
• 6.2.1 离散迭代模型
• 6.2.2 数值求解过程
• 6.3 优化模型的计算结果
• 6.4 网格织构表面优化模型的验证
• 6.5 网构表面的参数优化及其讨论
• 6.6 本章结论
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 创新点
• 7.3 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 试验仪器与设备
• 攻读博士学位期间发表论文