不同参数对粗糙表面/平面滑动摩擦热—力耦合的影响

论文摘要

真实的工程表面是由一系列高低不平的微小凸体组成，实际上接触只发生在表面的极少数微凸体上,由于接触面积极小，导致这些微凸体承受了极大的载荷，将产生弹塑性变形。处于接触状态的微凸体发生相对运动时，接触界面之间产生大量的热，热量的不均匀分布将严重影响材料的力学和物理性能，使得微凸体之间的受力更加复杂，加剧微凸体受力下的变形和破坏。宏观上则表现为接触部件的粘滑、黏着、磨损等摩擦学现象。因此，从微观上研究粗糙表面的摩擦滑动过程，特别是对微凸体的受力变形和热应力的耦合进行分析，对理解摩擦和磨损机理，具有显著意义。文章综述了粗糙表面滑动摩擦数值分析的研究现状和进展，指出该问题的研究方向和趋势。基于现有的分析模型，考虑了摩擦副的热-力耦合，将工程实际中粗糙表面摩擦滑动问题，简化成一个具有分形特征粗糙表面的弹塑性实体与一个具有理想平面的弹塑性实体的相对运动的模型。使用有限元软件ABAQUS进行求解，针对有限元分析过程中的求解耗时较长，通过子结构等技术手段加快分析模拟的速度。分析计算结果，给出数值模拟得到的接触面积、温度场、压力场和应力场的分布情况，进一步研究了不同参数下，接触界面上温度、接触压力和VonMises等效应力等随模拟时间的变化规律。本文通过对建立的模型进行三维瞬态热-力耦合有限元分析，揭示了模拟过程中真实接触面积和微凸体变形过程，接触界面压力、温度场、应力场分布和塑性变形等分布情况。结果表明，真实接触面积和外加载荷大致呈线性关系，在滑动过程，真实接触面积产生一定程度的波动，载荷是影响接触面积的首要因素。粗糙实体上的接触压力、温度场和等效塑性变形均主要分布在少数实际接触的微凸体周围；最大等效应力和最高温度主要分布在表层以下，揭示了造成材料失效的原因；指出物体温度沿深度方向的变化趋势，说明接触亚表层温度梯度较大，容易形成热点；接触界面温度、VonMises等效应力及接触压力随滑动距离的变化规律及其之间的相互联系；比较了不同摩擦系数、法向载荷和滑动速度下，微凸体周围最大温升、VonMises等效应力和等效塑性变形的变化情况，找出其中的相互影响关系。本文研究所得结论为实际工程中有效的降低摩擦热对接触状态的影响提供一定的依据,为今后进一步研究粗糙表面滑动接触的热动力学问题提供参考。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 本文主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 背景和意义
• 1.2 滑动摩擦数值分析研究进展
• 1.2.1 接触模型的研究进展
• 1.2.1.1 基于复杂表面形貌描述的接触模型
• 1.2.1.2 分形的接触模型
• 1.2.2 接触模型建模方法的研究
• 1.2.2.1 解析模型
• 1.2.2.2 数值模型
• 1.2.3 滑动摩擦热-力耦合温度场研究进展
• 1.2.3.1 摩擦过程热量的产生、传递和分配
• 1.2.3.2 摩擦热接触模型
• 1.2.3.3 滑动摩擦热-力耦合温度场的求解
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 粗糙表面滑动摩擦有限元分析基础
• 2.1 弹塑性问题的求解
• 2.1.1 弹塑性问题的判断准则
• 2.1.1.1 屈服准则
• 2.1.1.2 塑性流动准则
• 2.1.1.3 塑性强化准则
• 2.1.2 弹塑性应力-应变的本构关系
• 2.1.3 弹塑性问题的有限元解法
• 2.1.3.1 基于全量理论的有限元解法
• 2.1.3.2 基于增量理论的有限元解法
• 2.2 接触问题的求解
• 2.2.1 接触状态判别条件
• 2.2.2 接触的数学描述
• 2.2.2.1 约束增强方法
• 2.2.2.2 接触表面权重算法
• 2.2.2.3 搜索算法
• 2.2.2.4 滑移公式
• 2.2.3 接触问题的求解算法
• 2.3 三维瞬态温度场有限元解法
• 2.3.1 瞬态温度场基本方程
• 2.3.2 瞬态温度场有限元方程
• 2.4 热-力耦合接触问题的求解
• 2.4.1 热弹性理论
• 2.4.2 热弹塑性理论求解
• 2.4.3 热-力耦合计算的实现
• 2.5 有限元的动力学显式解法
• 2.5.1 显式时间积分
• 2.5.2 显式时间积分方法的优越性
• 2.5.3 显式方法的条件稳定性
• 第三章 粗糙表面滑动摩擦模型的建立
• 3.1 分形粗糙表面接触滑动模型的建立
• 3.1.1 分形粗糙表面的生成
• 3.1.2 滑动摩擦几何模型的建立
• 3.1.3 热传导模型的建立
• 3.1.3.1 模型分析的假设条件
• 3.1.3.2 接触滑动界面热流耦合
• 3.1.3.3 温度场计算模型
• 3.2 结构分析与热传导边界条件的确定
• 3.2.1 结构分析边界条件
• 3.2.2 热分析边界条件
• 3.2.2.1 名义接触面
• 3.2.2.2 其他界面
• 3.3 有限元分析的求解设定
• 3.3.1 有限元求解方法的选择
• 3.3.2 ABAQUS/Explicit 中接触设定
• 3.3.3 网格划分和单元的选用
• 3.3.4 载荷加载形式
• 3.3.5 有限元分析过程
• 3.3.5.1 模拟求解过程中的稳态极限
• 3.3.5.2 子结构的加速分析
• 3.4 实际算例的参数确定
• 3.4.1 材料的参数确定
• 3.4.2 热分析参数的确定
• 3.4.3 研究参数变化的选择
• 第四章 计算结果分析与讨论
• 4.1 真实接触面积
• 4.1.1 加载过程真实接触面积的变化影响
• 4.1.2 滑动摩擦过程真实接触面积的变化
• 4.2 接触压力
• 4.2.1 接触压力场的分布
• 4.2.2 加载过程接触压力的变化
• 4.2.3 滑动过程接触压力的变化
• 4.3 VonMises 等效应力
• 4.3.1 粗糙表面应力场的分布
• 4.3.1.1 加载过程的应力场
• 4.3.1.2 滑动过程的应力场
• 4.3.1.3 粗糙表面微凸体VonMises应力随加载时间的变化
• 4.3.1.4 粗糙表面微凸体VonMises应力随滑动时间的变化
• 4.3.1.5 不同参数对粗糙表面VonMises应力的影响
• 4.3.2 微凸体剖面应力场的分布
• 4.3.2.1 加载过程沿剖面VonMises等效应力和塑性应变
• 4.3.2.2 滑动过程沿剖面VonMises等效应力和塑性应变
• 4.3.2.3 不同参数对微凸体深度方向应力的影响
• 4.4 温度场的分布
• 4.4.1 粗糙表面温度分布
• 4.4.1.1 粗糙表面温度场
• 4.4.1.2 滑动过程粗糙表面不同触点温度随时间的变化
• 4.4.1.3 参数对粗糙触点表面温度变化的影响
• 4.4.2 微凸体剖面温度场的分布
• 4.4.2.1 滑动过程微凸体剖面温度场
• 4.4.2.2 参数对微凸体节点温度随深度方向变化的影响
• 结论与展望
• 本文主要结论
• 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文