热力耦合条件下PTFE基复合材料摩擦温度场的数值分析

论文摘要

聚四氟乙烯(PTFE)是一种综合性能优良的自润滑材料,在减摩部件中获得广泛应用。由于在摩擦过程中会产生大量摩擦热,而PTFE对摩擦热具有较强的敏感性,因而其摩擦性能与温度有很强的关联性。研究PTFE基复合材料的摩擦温度场、及其与材料配方及热学特性的关系,对于提高PTFE基复合材料的摩擦学特性具有重要意义。为此,本论文选择PTFE基复合材料为研究对象,通过改变其中铜填料的含量来提高复合材料的热学特性,在热力耦合的条件下用有限元数值模拟方法分析了摩擦温度场的变化情况,并利用热电偶、红外热像仪对摩擦过程中PTFE复合材料的温度变化进行了动态记录。在摩擦温度场数值分析时,考虑了摩擦过程中热力耦合因素,对PTFE基复合材料摩擦温度场进行系统分析。分别考虑了Cu粉含量、压力、转速三个因素对复合材料导热性能的影响,并根据模拟分析的结果分析了其温度场分布及其变化规律。结果表明:Cu粉含量越多,PTFE基复合材料的导热性能得到显著提高,复合材料在摩擦过程中温度升高越快,复合材料试样上下表面的温度梯度越小。并且,随Cu粉含量的增加,PTFE基复合材料的摩擦系数逐渐减小,材料的磨损量也呈减少的趋势。压力、转速越大,摩擦热由材料的表层向内层扩散速度越快,温度升高越快,复合材料试样上下表面的温度差也越小。此外,压力越大,其滑动摩擦系数越小;而转速越大,摩擦系数越大。同时,我们运用多功能环境可控摩擦磨损试验机和自制试验台架,完成了Cu粉填充的PTFE基复合材料摩擦温度的测试。本文以Cu粉填充的PTFE基复合材料为下试样,45#钢为上试样,在面接触条件下进行摩擦试验。同样考察了Cu粉含量、速度、压力三个因素对试验结果的影响,采用红外热像仪和热电偶同时对PTFE基复合材料进行了摩擦温度的测试,并将测试结果与模拟结果进行了对比分析,以此对模拟结果的准确性进行验证。对比结果显示温度曲线变化趋势是一致的,分析表明模拟结果与试验测试结果的温度差值呈线性关系,可用回归公式进行定量表达。此外,模拟结果较热电偶测试结果高,而红外测试结果与模拟结果比较接近,考虑到红外热像仪测试结果准确性较高,因而证明了模拟结果是合理准确的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 摩擦温度场
• 1.1.1 摩擦能的形式
• 1.1.2 摩擦热对接触界面状态的影响
• 1.1.3 摩擦热对材料摩擦性能的影响
• 1.2 摩擦温度场的国内外研究现状
• 1.2.1 摩擦温度场的实验研究
• 1.2.2 摩擦温度场的理论分析及模拟研究
• 1.2.3 现状评述
• 1.3 本文的研究目的及意义
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 传热理论基础
• 2.1 传热学基本定律
• 2.2 热传递的基本方式
• 2.2.1 热传导
• 2.2.2 热对流
• 2.2.3 热辐射
• 2.3 温度场基本导热方程
• 2.3.1 传入微元体的热量
• 2.3.2 微元体内热源所产生的热量
• 2.4 导热方程的单值性条件
• 2.5 聚合物复合材料的导热理论模型
• 第三章 温度场有限元分析
• 3.1 温度场的有限元求解
• 3.2 有限元软件的选择
• 3.3 ANSYS 有限元热力耦合分析流程
• 3.4 建立有限元模型
• 3.4.1 有限元实体建模基本假设
• 3.4.2 有限元模型的建立
• 3.5 边界条件及其参数设置
• 3.5.1 导热分析中的边界条件
• 3.5.2 确定对流传热系数
• 3.5.3 确定热流分配系数
• 第四章 有限元模拟结果及其分析
• 4.1 摩擦副材料及其热物性参数
• 4.2 试验工况及相关参数设置
• 4.3 不同工况下有限元模拟结果及其分析
• 4.3.1 不同含量的PTFE 基复合材料的结果及其分析
• 4.3.2 不同压力条件下PTFE 基复合材料的结果及其分析
• 4.3.3 不同转速条件下PTFE 基复合材料的结果及其分析
• 第五章 PTFE 基复合材料摩擦磨损温度场测试
• 5.1 测试样品的制备
• 5.2 试验仪器和设备
• 5.3 红外热像仪测温原理及试验材料的红外发射率标定
• 5.3.1 红外热像仪测温原理
• 5.3.2 试验材料的红外发射率标定
• 5.4 PTFE 基复合材料摩擦温度场试验及其结果分析
• 5.4.1 填料含量对PTFE 基复合材料导热性能的影响
• 5.4.2 压力对PTFE 基复合材料导热性能的影响
• 5.4.3 转速对PTFE 基复合材料导热性能的影响
• 5.4.4 不同试验条件下的PTFE 基复合材料的摩擦磨损性能
• 5.4.5 试验结果与有限元分析结果的对比分析
• 5.5 红外热像仪对摩擦温度场的检测及其结果分析
• 5.5.1 红外热像仪检测结果及其分析
• 5.5.2 红外测试结果与有限元分析结果的对比分析
• 5.6 数据结果的回归分析
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文