活塞缸套系统仿生非光滑界面摩擦与润滑机理的研究

论文摘要

本文将仿生非光滑理论与技术引入到发动机活塞的设计当中。针对有仿生非光滑形态与结构的活塞的润滑特点,按照摩擦副间隙存贮的润滑油量的多少,分类设计了干摩擦、混合润滑以及准油膜润滑试验。研究了摩擦副的摩擦系数和磨损率与载荷和润滑条件之间的关系。对干摩擦试验,选取了合适的接触界面条件,采用广义变分原理,建立了非线性接触力学模型。对活塞缸套摩擦系统进行了三维非线性有限元分析,揭示了非光滑形态与结构对摩擦副接触界面应力的影响规律与机理。对混合润滑试验,建立了贮油结构中润滑油随活塞上下行运动而晃动的数学模型,并通过ALE （Arbitrary Lagrange-Euler）描述的有限元法,求解了该数学模型,直观地显示了贮油结构中润滑油晃动到缸套内表面的整个过程。对准油膜润滑试验,本文首次将Euler-Lagrange流固耦合数学模型应用到活塞缸套挤压润滑油这一物理现象中,模拟了仿生非光滑活塞挤压与贮存润滑油的整个过程。最后,建立了活塞缸套干摩擦的热应力耦合模型,得出了裙部表面的温度分布云图,同时揭示了活塞表面的磨损失效过程。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 生物非光滑现象及其仿生应用
• 1.3 机械磨损与润滑理论基础
• 1.3.1 磨损机理
• 1.3.2 磨损形式
• 1.3.3 润滑技术
• 1.3.4 摩擦热
• 1.4 发动机活塞-缸套系统摩擦原理及技术研究
• 1.4.1 活塞缸套摩擦系统
• 1.4.2 仿生非光滑效应在活塞-缸套摩擦副上的应用及其研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 非线性有限元理论
• 2.1 非线性有限元概述
• 2.2 非线性有限元的初值问题
• 2.3 中心差分显式算法与稳定性分析
• 2.4 单元计算的单点高斯积分和沙漏控制
• 2.4.1 沙漏过程的数学描述
• 2.4.2 沙漏模态的控制
• 第三章 仿生非光滑模型试验研究
• 3.1 干摩擦试验
• 3.2 混合润滑磨损试验
• 3.3 准油膜润滑磨损试验
• 3.3.1 滴油、涂油准油膜润滑磨损试验
• 3.3.2 储油、涂油准油膜润滑磨损试验
• 3.4 温度对润滑状态摩擦磨损性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 干摩擦条件下的接触有限元分析
• 4.1 活塞缸套接触的数学模型
• 4.1.1 接触界面条件
• 4.1.2 接触问题的求解方案
• 4.2 活塞缸套系统接触过程有限元求解与分析
• 4.2.1 几何模型
• 4.2.2 材料特性与网格划分
• 4.2.3 计算结果与分析
• 第五章 混合润滑条件下的润滑模型及ALE 有限元分析
• 5.1 物质运动描述的LAGRANGE、EULER 以及ALE 方法
• 5.2 非光滑贮油凹坑中润滑油晃动的几何模型
• 5.3 凹坑贮油晃动润滑数学模型的建立
• 5.4 ALE 有限元求解与分析
• 5.4.1 材料特性与网格划分
• 5.4.2 载荷施加
• 5.4.3 计算结果与分析
• 第六章 准油膜润滑的CEL 流固耦合模型与求解
• 6.1 活塞-缸套摩擦副润滑理论模型及研究现状
• 6.1.1 表面光滑的活塞-缸套摩擦副润滑模型
• 6.1.2 表面粗糙的活塞-缸套摩擦副润滑模型
• 6.1.3 活塞-缸套摩擦副润滑理论最新研究成果
• 6.2 活塞缸套摩擦副与润滑油膜挤压的流固耦合数学模型
• 6.2.1 基本方程
• 6.2.2 CEL 耦合过程
• 6.3 准油膜润滑的有限元求解与分析
• 6.3.1 几何模型与网格划分
• 6.3.2 计算结果与分析
• 第七章 活塞缸套摩擦生热模型与求解
• 7.1 摩擦生热数学模型
• 7.1.1 结构接触分析
• 7.1.2 温度场瞬态热传导微分方程
• 7.2 活塞缸套摩擦生热数值算例与结果分析
• 第八章 总结与展望
• 8.1 研究工作总结
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 摘要
• ABSTRACT
• 攻读博士学位期间的科研情况简介
• 一、攻读博士期间发表学术论文
• 二、攻读博士期间参与科研情况
• 致谢