扭動(dòng)微動(dòng)磨損損傷機(jī)理及防護(hù)的數(shù)值分析研究.pdf

1、扭動(dòng)微動(dòng)作為一種基本相對(duì)運(yùn)動(dòng)和變形方式，大量存在于實(shí)際工況中，如交通工具中大量存在的球窩配合件及旋轉(zhuǎn)緊固件、輪軸配合、人體關(guān)節(jié)、及各種人工關(guān)節(jié)等。其產(chǎn)生的磨損損傷會(huì)引發(fā)機(jī)械零部件服役安全及人體生命健康問題。但扭動(dòng)微動(dòng)研究起步較晚，報(bào)道較少，解析解存在一定局限性。西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所開展的系統(tǒng)試驗(yàn)研究，主要在二類微動(dòng)圖基礎(chǔ)上，建立了扭動(dòng)微動(dòng)磨損的運(yùn)行和損傷機(jī)理，但扭動(dòng)微動(dòng)的力學(xué)行為和機(jī)理卻有待分析與研究。同時(shí)，減緩微動(dòng)損傷措施的研究主

2、要集中于切向微動(dòng)，表面工程技術(shù)在抗扭動(dòng)微動(dòng)損傷中的應(yīng)用研究極為少見。因此開展扭動(dòng)微動(dòng)磨損和防護(hù)的力學(xué)行為分析，不僅可以深化扭動(dòng)微動(dòng)磨損損傷機(jī)理、豐富微動(dòng)摩擦學(xué)理論，而且對(duì)實(shí)際應(yīng)用中抗扭動(dòng)微動(dòng)磨損失效具有重要的工程指導(dǎo)意義。
　　本研究基于接觸問題有限元方法對(duì)扭動(dòng)微動(dòng)開展數(shù)值分析，研究關(guān)鍵微動(dòng)參數(shù)對(duì)接觸表面及次表面的應(yīng)力應(yīng)變分布的影響。從力學(xué)角度分析扭動(dòng)微動(dòng)磨損損傷特性，并將力學(xué)行為和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比分析;并利用ABAQUS用戶子程

3、序Fric引入接觸表面隨時(shí)間和空間各項(xiàng)同性變化的摩擦系數(shù)，對(duì)扭動(dòng)微動(dòng)磨損進(jìn)行數(shù)值模擬。在摩擦扭矩曲線和試驗(yàn)結(jié)果較好吻合基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析扭動(dòng)微動(dòng)力學(xué)行為;同時(shí)開展MoS2涂層扭動(dòng)微動(dòng)有限元分析，通過與基體力學(xué)行為的比較，探討固體潤(rùn)滑涂層在抗扭動(dòng)微動(dòng)磨損中應(yīng)用的可行性。獲得的主要結(jié)論如下:
　　(1)扭動(dòng)微動(dòng)有限元分析結(jié)果顯示:不同運(yùn)行區(qū)域扭矩曲線形狀與試驗(yàn)結(jié)果較好吻合，說明有限元分析中接觸表面的變形行為和摩擦行為與實(shí)際基本相符。在

4、有限元分析中，需依據(jù)T-θ曲線形狀結(jié)合接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)變特征分析來劃分運(yùn)行區(qū)域。橢圓型T-θ曲線，并且接觸狀態(tài)云圖中粘著區(qū)隨循環(huán)周次增加有減小趨勢(shì)，表明微動(dòng)運(yùn)行于混合區(qū)。
　　(2)數(shù)值模擬結(jié)果的三種微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域下摩擦扭矩—角位移幅值曲線與試驗(yàn)結(jié)果無論在形狀還是數(shù)值上均較好吻合，說明所采用摩擦系數(shù)模型能夠模擬扭動(dòng)微動(dòng)接觸界面摩擦系數(shù)演化及變形行為，在扭動(dòng)微動(dòng)磨損力學(xué)機(jī)理分析中考慮摩擦系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化非常有必要。在此基礎(chǔ)上，扭動(dòng)微動(dòng)的力學(xué)行

5、為分析和損傷機(jī)理揭示更加可靠。
　　(3)表面塑性變形和摩擦剪力對(duì)表面磨損起主控作用。三種扭動(dòng)微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域塑性應(yīng)變和摩擦剪應(yīng)力的分布和演化不同，相應(yīng)的磨損損傷程度和演化也不同。
　　(4)結(jié)合SWT參數(shù)和關(guān)鍵平面方法，對(duì)混合滑移區(qū)接觸副表面的裂紋萌生與擴(kuò)展位置進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。結(jié)果表明:次表面應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)決定了裂紋萌生與擴(kuò)展，裂紋應(yīng)在粘滑交界處和滑移區(qū)內(nèi)接近接觸邊緣處萌生與擴(kuò)展，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較好吻合。
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