基于分形表征的粗糙表面摩擦磨损特性研究

论文摘要

摩擦磨损普遍存在于工业生产中,严重影响机械零部件的可靠性和使用寿命,造成了大量的能源与材料浪费。粗糙表面的形貌特征及其接触特性是摩擦副表面摩擦磨损的根本原因,因此有必要客观准确地表征粗糙表面并研究其接触及摩擦机理。本文以分形理论为基础描述粗糙表面的微观几何特征,以ANSYS软件为工具研究粗糙表面接触面积、接触应力、摩擦力及磨损形态随接触状态的变化规律,探索表面的摩擦磨损机制,其具体完成工作如下。(1)利用分形理论,分别建立了二维粗糙轮廓以及三维粗糙表面的分形模型,研究了分形维数D、粗糙度系数G对表面形貌、不规则性的影响。结合统计学参数表面粗糙度Ra,得到不同分形模型中分形维数D、粗糙度系数G与表面粗糙度Ra的对应关系。(2)利用ANSYS有限元分析软件,建立了粗糙表面与光滑表面接触的有限元模型,分别研究了粗糙表面与光滑表面在位移载荷和分布载荷作用下的接触特性,给出了粗糙表面接触面积、接触应力随载荷的变化规律。研究了分形参数对粗糙表面接触特性的影响规律,即在相同的载荷下,分形维数D越大,接触面积越大；粗糙度系数G越大,接触面积越小。(3)建立两粗糙表面间的摩擦接触模型,分析接触过程中的真实接触面积、最大接触应力以及塑性变形区域、磨损区域随载荷的变化规律,揭示了材料表面摩擦磨损机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 摩擦学中分形理论应用的研究现状
• 1.2.2 表面接触问题中有限元法的应用
• 1.3 本文的主要内容
• 第2章 分形基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 分形的概念
• 2.2.1 分形的定义
• 2.2.2 分形的特点
• 2.3 分形维数
• 2.3.1 分形维数的定义
• 2.3.2 分形维数的计算方法
• 2.4 基于分形理论的接触模型研究
• 2.4.1 接触面的变形性质
• 2.4.2 真实接触面积、微凸体接触面积
• 2.4.3 表面的弹塑性接触载荷
• 2.4.4 真实接触面积与载荷的关系
• 2.4.5 基于M-B模型的摩擦磨损预测模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 粗糙表面的M-B分形模型
• 3.1 引言
• 3.2 二维粗糙表面的分形表征
• 3.2.1 二维分形轮廓
• 3.2.2 二维分形轮廓的表面粗糙度
• 3.3 三维粗糙表面的分形表征
• 3.3.1 三维分形表面
• 3.3.2 三维分形表面的表面粗糙度
• 3.4 本章小结
• 第4章 粗糙-光滑表面接触特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 ANSYS简介
• 4.2.1 ANSYS软件介绍
• 4.2.2 ANSYS求解接触问题的典型步骤
• 4.3 粗糙-刚性光滑表面接触模型的建立
• 4.3.1 建立有限元模型
• 4.3.2 属性设置和网格划分
• 4.3.3 建立接触对
• 4.3.4 施加边界条件及载荷
• 4.3.5 求解控制的设定
• 4.4 数值计算结果
• 4.4.1 真实接触面积
• 4.4.2 最大接触应力
• 4.4.3 最大变形量
• 4.5 真实接触面积的影响因素讨论
• 4.5.1 分形维数对真实接触面积的影响
• 4.5.2 粗糙度系数对真实接触面积的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 粗糙-粗糙表面摩擦特性分析
• 5.1 引言
• 5.2 粗糙-粗糙表面接触模型的建立
• 5.3 数值计算结果
• 5.3.1 真实接触面积
• 5.3.2 最大接触应力
• 5.3.3 摩擦应力
• 5.3.4 摩损面积
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢