膜基體系微觀接觸力學(xué)特性研究.pdf

1、隨著表面改性技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展，TiC、TiN、DLC等膜層和表面離子注入、表面二重硬化等強(qiáng)化層已經(jīng)在滾動(dòng)軸承和齒輪等典型摩擦副中廣泛應(yīng)用，尤其是長(zhǎng)期工作在高速、重載和高溫苛刻工況條件下或者面臨短時(shí)斷油特殊工況條件下的摩擦副。在面向工況的膜基體系設(shè)計(jì)和開發(fā)過(guò)程中以經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和試驗(yàn)為基礎(chǔ)的試錯(cuò)法具有較大的盲目性和隨機(jī)性，目前膜層及表面強(qiáng)化層的摩擦學(xué)應(yīng)用尚缺乏公認(rèn)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。為了研究獲得接觸副表面膜層和接觸表面微觀形貌對(duì)摩擦副接觸特性的影響

2、規(guī)律，以便為膜層的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供分析方法和理論指導(dǎo)，首先提出了一種基于隨機(jī)交換系統(tǒng)的粗糙表面數(shù)值模擬新方法，模擬生成隨機(jī)粗糙表面為接觸模型提供表面數(shù)據(jù)，然后基于半解析法建立了均質(zhì)膜膜基體系彈性點(diǎn)接觸模型，梯度膜膜基體系彈性點(diǎn)接觸模型以及考慮熱分配的均質(zhì)膜膜基體系熱彈性點(diǎn)接觸模型，并基于這些模型研究了膜層和接觸表面微觀形貌對(duì)接觸特性的影響。
　　結(jié)合極坐標(biāo)法和Johnson轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，提出了一種基于隨機(jī)交換系統(tǒng)的粗糙表面模擬新方法。通過(guò)

3、采用迭代算法，模擬得到的粗糙表面的統(tǒng)計(jì)參數(shù)與指定的統(tǒng)計(jì)參數(shù)之間的偏差得到有效控制，而且克服了現(xiàn)有方法自相函數(shù)的擬合程度隨自相關(guān)長(zhǎng)度的增大而變差的不足，從而提高了模擬精度。對(duì)真實(shí)工程表面的模擬表明本文提出的模擬方法也可用于指數(shù)函數(shù)以外的自相關(guān)函數(shù)的粗糙表面模擬，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。
　　由Papkovich-Neuber勢(shì)函數(shù)獲得了均質(zhì)膜膜基體系在表面機(jī)械載荷作用下彈性場(chǎng)的頻域解，并采用基于快速傅里葉變換的影響因子矩陣轉(zhuǎn)換算法轉(zhuǎn)換獲得與

4、表面法向壓力和切向力相關(guān)的位移與應(yīng)力的影響因子矩陣，從而建立了球體與均質(zhì)膜膜基體系的三維彈性點(diǎn)接觸模型，并通過(guò)與赫茲接觸理論的解析解和有限元解的對(duì)比驗(yàn)證了模型的有效性?；诖藦椥越佑|模型研究獲得了膜層彈性膜量、厚度及接觸表面粗糙形貌對(duì)接觸壓力和次表層接觸應(yīng)力分布的影響規(guī)律。
　　通過(guò)引入傅里葉積分變換進(jìn)一步推導(dǎo)了指數(shù)型梯度膜膜基體系在表面機(jī)械載荷作用下彈性場(chǎng)的頻域解，并采用影響因子矩陣轉(zhuǎn)換算法轉(zhuǎn)換獲得了梯度膜膜基體系與表面壓力和切

5、向力相關(guān)的位移和應(yīng)力的影響因子矩陣，從而將均質(zhì)膜膜基體系的接觸模型推廣應(yīng)用到梯度膜膜基體系的接觸模型，并通過(guò)與均質(zhì)膜膜基體系接觸模型的解和有限元解的對(duì)比驗(yàn)證了模型的有效性?；谔荻饶つせw系彈性點(diǎn)接觸模型研究獲得了梯度膜表面彈性模量和膜厚對(duì)接觸壓力和次表層接觸應(yīng)力的影響規(guī)律，并與均質(zhì)膜的影響規(guī)律做了對(duì)比分析。
　　最后本文還考慮了摩擦熱對(duì)均質(zhì)膜膜基體系點(diǎn)接觸特性的影響。采用傅里葉積分變換推導(dǎo)了均質(zhì)膜膜基體系在表面摩擦熱源等作用下的

6、溫升及熱彈性場(chǎng)的頻域解，然后采用影響因子轉(zhuǎn)換算法轉(zhuǎn)換獲得與表面熱源相關(guān)的表面溫升、熱位移和熱應(yīng)力的影響因子矩陣，從而通過(guò)引入基于接觸界面真實(shí)接觸區(qū)溫度連續(xù)的熱分配模型進(jìn)一步建立了考慮摩擦熱分配的均質(zhì)膜膜基體系三維熱彈性點(diǎn)接觸模型，并針對(duì)沒有膜層的接觸問題通過(guò)本模型的解與前人的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了模型的有效性?；诖藷釓椥越佑|模型研究獲得了滑動(dòng)速度、摩擦系數(shù)、膜層熱傳導(dǎo)系數(shù)、膜層熱膨脹系數(shù)及接觸表面粗糙形貌對(duì)接觸壓力、接觸表面溫升、膜基