双粗糙表面的微动磨损行为研究

目的 建立符合实际情况的粗糙表面微动磨损模型,准确揭示连接结构的磨损机理.方法 利用ABAQUS有限元软件中的UMESHMOTION子程序和能量耗散模型,建立粗糙表面的微动磨损模型,并探究不同表面粗糙度、材料和振动频率对粗糙表面微动磨损的影响.结果 在外部载荷、振动频率和材料相同的情况下,下试件表面粗糙度为0.2μm的...     

表面粗糙峰坐标点云重构的金属-橡胶接触分析

目的 通过金属-橡胶微观接触面粗糙峰坐标点云重构,建立外部载荷与接触面积、微观接触状态之间的联系.方法 基于粗糙表面的自相关函数和高斯分布函数,获得金属-橡胶粗糙接触面数据点云坐标,利用ANSYS APDL方法,建立金属-橡胶接触模型,对两种表面粗糙度(分别为1.6μm和3.2μm)的4种接触情形进行有限元接触分析,确定模型的可靠性.结果 随着外部载荷的增加,经数据点云重构后的粗糙表面,其接触面积呈非线性增加.载荷较小时,外加载荷每增加0.1 MPa,接触面积增加约6％;大载荷时,外加载荷每增加0.1 MPa,接触面积增加约1.5％.接触状态中,滑移占比为12％左右,近场和粘着呈完全相反的变化趋势.结论 随着外加载荷的增加,界面的真实接触面积呈幂指关系增加.同一载荷下,真实接触面积随表面粗糙度的增加而减小;随着外加载荷的增加,界面间的接触状态由近场接触向粘着接触转变.接触面积和粘着状态是界面间磨损粒子的分布范围和大小的确定因素,对于准确描述载荷传递和随之发生的磨损过程有着重要意义.根据橡胶表面的应力分布和变形情况,解释了粘着接触状态促使橡胶一侧微凸体脱落成为磨损颗粒,证明磨粒磨损是刚柔接触界面的主要磨损形式.     

基于分形粗糙表面的镀锌板接触与摩擦模型

在镀锌板的成形过程中,模具与坯料间的摩擦常使镀锌板的锌层发生剥落、划痕和裂纹等失效形式。为了评价镀锌板表面形貌、压力和润滑条件对界面摩擦行为的影响,选取了两种不同方法镀锌的钢板(合金化热镀锌板GA与热浸镀锌板GI)进行研究。用轮廓仪测量试样的表面形貌,用分形理论计算分形参数,获得真实接触面积与载荷的关系,然后建立镀锌板与模具之间的接触模型;并根据所建立的接触模型,构建了镀锌板表面形貌与载荷关系的摩擦模型。结果表明,所建立的摩擦模型其摩擦系数的理论值与实验值能够较好地吻合,平均误差小于10%,证明了该摩擦模型的准确性与可行性。     

交叉沟槽织构化粗糙表面流体润滑数值分析

目的 探究粗糙度对交叉沟槽织构化表面流体动力润滑性能的影响。方法 基于质量守恒空化边界条件和平均流量模型的Reynolds方程,建立计入表面粗糙度效应的交叉沟槽织构化表面流体动力润滑理论模型,采用多重网格法进行数值求解,获得润滑油膜的压力分布和承载能力,分析粗糙度对交叉沟槽织构化表面流体润滑性能的影响规律。结果 油膜承载能力随着沟槽宽度的增大而增大,表面粗糙度对油膜承载能力的影响随着沟槽宽度的增大而增大。存在最佳的沟槽深度和间距使得交叉沟槽所产生的流体动力润滑效应达到最强,表面粗糙度对油膜承载能力的影响在最佳沟槽深度附近最大,粗糙度对油膜承载能力的影响随着沟槽间距的增加而增大。油膜承载能力随着交叉角度的增大呈现先增大后减小的趋势,粗糙度对油膜承载能力的影响随着交叉角度的增加而增大。交叉沟槽的重叠系数对油膜平均压力几乎没有任何影响,粗糙度对油膜承载能力也几乎不受重叠系数的影响。结论 在利用数值分析方法研究交叉沟槽织构流体动力润滑性能时,不能忽略粗糙度的影响,表面粗糙度在一定程度上抑制了交叉沟槽所产生的流体动力润滑效应,降低了油膜承载能力。     

磨削用量对高速点磨削表面轮廓分布的影响研究

针对磨削用量对高速点磨削加工表面轮廓分布规律进行了试验研究,重点分析了点磨削倾斜角α=0.5°时磨削参数对加工表面粗糙度和轮廓分布的影响情况。通过统计表面偏态系数和峰态系数评价加工轮廓的分布状况,利用支承面积率和支承指数评价轮廓表面承载性能。研究发现,轮廓分布有利于获得良好的零件表面承载性和可靠性。在高砂轮转速、较小的进给速度和中等磨削深度时获得的点磨削表面质量更为理想。     

不同润湿性液体在粗糙表面的润湿滞后现象

润湿滞后是表征液体脱离固体表面难易程度的核心参数。为了研究不同润湿性状态下的润湿滞后现象,在定量描述固体表面粗糙度的基础上,首次在3种不同粗糙度固体表面上对强亲水到疏水范围内的液体进行系统的Wenzel接触角及润湿滞后实验,在通过Wenzel理论及静摩擦力理论验证座滴法与体积法实验结果准确性的前提下,进一步研究不同润湿性状态下杨氏接触角、粗糙度与润湿滞后之间的定性关系。结果表明:固体样品1(固体表面粗糙度,r=1.15)的润湿滞后效应在不同润湿状态下保持一常数,而固体样品2(r=1.64)及固体样品3(r=2.29)的润湿滞后效应在θ_e=90°附近达到最大,随着亲水和疏水程度的增加,润湿滞后效应均不断减小;粗糙度与润湿滞后的关系也并不单调,在亲水状态下,润湿滞后效应随着粗糙度的增加而减小,而在中性润湿状态下未发现明显规律。     

改进的粗糙表面线性变换重构方法

目的 设计一种改进方法,解决线性变换法无法实现任意偏斜度S_sk和峭度S_ku组合的粗糙表面重构,以及无法保证表面高度极值特征参数(包括最大高度S_z、最大峰高S_p和最大谷深S_v)精度的问题。方法 通过求解表面高度概率密度函数,代替线性变换法的Johnson转换,构造符合指定高度分布的非高斯序列,并利用时频迭代法保证重构表面高度参数的精度,在此基础上,设置特定的S_sk和S_ku理论值,以证明所提改进方法的优越性,并将重构喷丸表面和磨削喷丸表面与相应实测表面进行对比,验证改进方法的合理性。结果 改进方法对任意S_sk和S_ku组合的粗糙表面均能准确重构,且可以保证表面高度极值特征参数的精度,最大误差不超过5%。此外,基于时频迭代法,改进方法有效避免了线性变换法中线性变换带来的原理性误差,重构表面的精度高且鲁棒性好,利用改进方法重构的喷丸表面和磨削喷丸表面,其高度分布、自相关函数均与实测表面吻合良好,相关粗...     

粗糙表面弹塑性加卸载多级接触模型

真实工程表面在微观尺度上都是粗糙的,它们之间的接触实际上是表面微凸体的接触,粗糙表面间的接触行为对接触部件的真实承载能力、摩擦磨损等性能都有重要影响,研究工程表面间的真实接触行为是摩擦学研究的主要内容之一。采用最小均方误差法得到表面轮廓抛物线拟合曲线,在最大限度近似原始表面轮廓的同时,该方法能够更好地适用于微凸体弹塑性接触加卸载模型。通过单个微凸体上的支承载荷将总体级别模型和微凸体级别模型相联系,建立粗糙表面多级接触加卸载模型。以柱面与平面接触为算例,将接触区域视为与圆柱母线平行的离散线条集合,得到微凸体法向变形量和粗糙表面真实接触面积,该模型可用于分析粗糙表面弹塑性加卸载的真实接触行为。     

基于MATLAB分析不同形貌对金属表面润湿性能的影响

目的 研究不同形貌的微结构表面对金属表面润湿性能的影响。方法 首先在金属材料表面建立一级与二级微结构模型,然后整理得出不同微结构模型评定参数的公式,最后利用Matlab对不同形貌表面相关公式进行模拟计算,绘制得到不同形貌表面润湿特性三维曲线。结果 一级微结构中,球形微结构模型表面表观接触角θ皆为定值,即完全润湿θc=74.443°,不完全润湿θw=131.720°。其余微结构模型利用Matlab模拟计算,均可以得到光滑的三维曲线,其中在铜基表面设计制备三维方柱阵列微结构,可获得超疏水特性。二级微结构中,比较完全润湿状态,不完全润湿状态粗糙因子f远小于Υ。在不完全润湿状态中,粗糙因子f趋近于0,与完全润湿状态模拟的表观接触角结果相比,不完全润湿状态下,采用三维阵列微结构研究金属表面微结构对表观接触角的影响最为合适。结论 模拟条件相同的情况下,改变金属表面微观形貌会引起润湿性能的改变。金属表面润湿性能与表面微细结构以及微结构参数均存在映射关系,但是表面微结构的维度并非越高越好,一级微结构同样也可以得到所需疏水性能。在外在影响因素相同的条件下,若要研究分析金属表面微结构参数的改变对表观接触角的影响,采用三维阵列微结构最为合适。     

表面粗糙度和硬度的匹配性对接触疲劳性能的影响

对表面粗糙度和硬度的匹配性对接触疲劳性能的影响进行了研究。结果发现，单独提高硬度并不能提高均质材料的接触疲劳寿命，要想提高材料硬度来提高重载矿山齿轮的接触疲劳寿命，须使其表面粗糙度和硬度之间达到最佳匹配状态。     

十二烷基硫酸钠水溶液液滴在微凹槽阵列PDMS表面上的电润湿行为实验研究

目的 研究十二烷基硫酸钠(Sodium dodecyl sulfate, SDS)水溶液液滴在微凹槽阵列聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)表面的电润湿行为特征。方法 采用注入析出法,测量含KCl的SDS水溶液液滴在微凹槽阵列非浸润表面的接触角滞后。通过施加直流电压,研究SDS浓度和表面粗糙度对含KCl的SDS水溶液液滴的电润湿行为的影响。结果 微凹槽阵列非浸润表面表现出较强的润湿各向异性,与平行于微凹槽方向上的表观接触角(110°≤θ_e≤141°)、前进角(116°≤θ_a≤144°)和后退角(99°≤θ_r≤137°)相比,垂直于微凹槽方向上的表观接触角(142°≤θ_e≤165°)、前进角(159°≤θ_a≤177°)和后退角(118°≤θ_r≤140°)普遍更大。当表面固定时,水溶液液滴电润湿的启动电压和饱和电压,以及发生润湿状态转变所需的电压均随着SDS浓度的增加而减小。当水溶液中SDS的浓度固定时,沿垂直于凹槽方向的启动...     

微动接触中分形粗糙表面的温升分布研究

目的 研究不同分形参数下表面粗糙度对微动接触表面温升的影响。方法 通过创建Python脚本,将MATLAB中利用Weierstrass-Mandelbrot函数构造的分形表面轮廓坐标导入ABAQUS中,使用样条曲线拟合轮廓坐标,构建包含粗糙表面的二维柱面-平面接触模型,研究表面粗糙度、法向载荷、切向载荷以及材料属性对接触表面温升的影响规律。结果 微动接触状态下,温升在接触宽度方向上呈先增后减的趋势,且沿深度方向温升幅值逐渐减小。不同粗糙度的表面节点具有相似的温升分布历程,热影响区主要分布于接触区表层附近,并在此表层产生高的温度场。粗糙接触模型会出现局部温升峰值,同时剪切摩擦应力和接触压力分布具有离散性,与文献中已有结论一致。结论 接触表面温升幅值随着粗糙度的增大而增大。当表面粗糙度和法向载荷一定时,随着切向载荷幅值的增大,上试件的相对滑移距离和摩擦热产生率增加,引起温升幅值增大。考虑材料属性时,发现温升幅值大小与材料导热性密切相关,材料导热性能越好,接触表面温升幅值越小。     

基于随机过程的三维粗糙表面接触刚度研究

目的 建立三维粗糙表面法向接触刚度的有限元模型,研究法向接触刚度对粗糙度、自相关系数、弹性模量、屈服极限等参数的敏感性。方法 首先基于随机过程理论,采用二维数字滤波技术,生成满足Gauss分布和指数自相关函数的粗糙表面,建立三维粗糙表面接触有限元模型。然后根据结合面静位移与结合面受力关系推导出静刚度表达式,得到两粗糙表面的法向接触刚度。根据中心复合试验设计方法选取的样本点和有限元计算结果,建立二阶响应面模型。最终定义了临界自相关系数,并研究了临界自相关系数与其他参数的关系。结果 有限元计算得到的法向接触刚度结果合理,与试验结果相比最大误差不超过12.34%。弹性变形、塑性变形及真实接触面积随载荷的增加逐渐增大。法向接触刚度与粗糙度呈现负相关趋势,粗糙度不变时法向接触刚度随自相关系数的增大先增大后减小;法向接触刚度与弹性模量呈负相关趋势,法向接触刚度与屈服强度呈正相关趋势,且粗糙度的改变对法向接触刚度影响最大。当压力为200 MPa时,粗糙度、自相关系数、弹性模量、屈服极限分别为0.8 μm、18.91、240 GPa、355 MPa,法向接触刚度达到最大值121.53 MPa/mm,优化后接触面的法向接触刚度提高247%,并给出了临界自相关系数选取公式。结论 所建立模型正确、准确,为粗糙表面法向接触刚度计算提供一种有效方法,可为航空发动机安装边结构设计提供理论指导。     

初始表面粗糙度对沟槽织构摩擦性能的影响

目的探究初始表面粗糙度大小对激光沟槽织构化表面摩擦性能的影响规律。方法采用脉冲光纤激光器在不同粗糙度的45#钢试样表面制备具有不同深度、规则排列的沟槽织构,利用摩擦磨损试验机进行销-盘式往复摩擦试验,研究初始表面粗糙度对沟槽织构化表面摩擦系数的影响规律,以及不同初始表面粗糙度条件下,激光沟槽织构化表面的摩擦学行为。结果沟槽织构能够有效降低表面的摩擦系数,初始表面粗糙度、载荷和速度的大小对沟槽织构的润滑减摩性能有较大影响。在较低的载荷下,沟槽织构能有效提高表面的流体动压润滑效应;在较高的载荷下,沟槽织构能够有效改善表面的边界润滑性能。存在最优初始表面粗糙度,使得摩擦系数达到最小,初始表面粗糙度最优值的大小应根据载荷和速度大小来确定。结论根据摩擦副表面的载荷和速度工况条件,合理优化初始表面粗糙度能使沟槽织构获得较为理想的润滑减摩效果。