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1、影響摩擦磨損的接觸熱動力學(xué)特性研究劉雨薇2015年6月中圖分類號：TK05UDC分類號：621.7影響摩擦磨損的接觸熱動力學(xué)特性研究作者姓名劉雨薇學(xué)院名稱機械與車輛學(xué)院指導(dǎo)教師張衛(wèi)正教授答辯委員會主席廖日東教授申請學(xué)位工學(xué)博士學(xué)科專業(yè)動力機械及工程學(xué)位授予單位北京理工大學(xué)論文答辯日期2015年6月StudyontheeffectofthermodynamiccharacteristicsofmovingcontactonfrictionandwearCandidateName：YuweiLiuSchoolorDepart
2、ment:MechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.WeizhengZhangChair,ThesisCommittee：Prof.RidongLiaoDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：PowerMachineryandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June,2015研究成果聲明本人鄭重聲明：所提交的學(xué)位論文是我本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進行的研究
3、工作獲得的研究成果。盡我所知，文中除特別標(biāo)注和致謝的地方外，學(xué)位論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京理工大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的合作者對此研究工作所做的任何貢獻均已在學(xué)位論文中作了明確的說明并表示了謝意。特此申明。簽名：日期：北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要在科技高速發(fā)展的今天，能源消耗、材料損失和環(huán)境污染仍然是世界各國在發(fā)展中所面臨的難題，而摩擦磨損是造成能源消耗和材料損失的主要原因之一。摩擦副的摩擦和磨損程度并不是材料本身的固有特性，而是一個受各種因素影響的
4、實時的動態(tài)過程。本文基于接觸熱動力學(xué)特性，主要針對摩擦副在運動過程中的壓力、溫度、導(dǎo)熱量等的變化規(guī)律從理論分析和仿真模擬兩方面進行了研究，主要研究內(nèi)容如下：在有限元靜態(tài)壓縮方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合特征值理論為摩擦副在磨損過程中的接觸問題的求解提供了新的方法。首先，采用有限元靜態(tài)壓縮法對摩擦副有限元模型的全局剛度矩陣進行靜態(tài)壓縮，得到了不包含內(nèi)部節(jié)點自由度的接觸剛度矩陣。其次，在Archard磨損定律的基礎(chǔ)上對含有接觸剛度矩陣的特征根方程進行求解，獲得了從磨合磨損階段過渡到穩(wěn)定磨損階段過程中任意時刻下接觸壓強的變化規(guī)律。為磨損過
5、程中接觸壓強的實時預(yù)測提供了一種簡便、高效的方法。基于粗糙表面的統(tǒng)計學(xué)特征，從微觀熱力學(xué)入手，對滑動過程中微凸體間的相互作用機理以及由此產(chǎn)生的導(dǎo)熱問題進行了探討。對GW接觸模型進行了發(fā)展，建立了滑動粗糙表面的瞬態(tài)導(dǎo)熱模型，對由于體積溫差產(chǎn)生的平均名義熱流以及平均名義接觸壓強等參數(shù)進行了預(yù)測。同時，對滑動過程中的滑動接觸熱導(dǎo)進行了有效評估，發(fā)現(xiàn)接觸熱導(dǎo)不僅與接觸壓強近似成線性關(guān)系，而且與滑動速度的平方根成正比，與RMS表面粗糙度的3/4次方成反比。上述結(jié)論為宏觀導(dǎo)熱的有限元數(shù)值分析提供了邊界條件，使得有限元模型中無需建立復(fù)
6、雜的粗糙表面，僅僅需要輸入材料特性和表面粗糙參數(shù)。對微凸體的閃點溫度進行了理論研究，得到了單對微凸體接觸過程中的閃點溫度隨微凸體間最大貫穿深度而單調(diào)變化的函數(shù)關(guān)系式。閃點溫度隨著接觸時間的增大先升高后降低，在總接觸時間約為82.5%的時刻達到最大值。平均名義接觸壓強對接觸面上的平均閃點溫度的影響非常的小。對實際微凸體的接觸過程進行了仿真模擬，發(fā)現(xiàn)無量綱總導(dǎo)熱量和無量綱閃點溫度僅僅取決于無量綱參數(shù)Peclet數(shù)。高?1212Peclet數(shù)下，無量綱總導(dǎo)熱量與Pe成正比，無量綱閃點溫度與Pe成正比；低Peclet數(shù)下，無量綱
7、總導(dǎo)熱量與Pe成反比，無量綱閃點溫度與Pe成正比。最終提出了適用于全部Peclet數(shù)的無量綱總熱交換量和閃點溫度的表達式。I北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文對往復(fù)運動形式對由于溫差導(dǎo)致的宏觀接觸導(dǎo)熱的影響進行了仿真分析。通過對有限元軟件ABAQUS進行二次開發(fā)，將接觸熱導(dǎo)定義為滑動速度、接觸壓強、材料熱物性以及表面粗糙度的函數(shù)。研究了反映位移幅值與上滑塊長度之比的無量綱參數(shù)?，無量綱頻率?，以及包含了滑動副的材料特性、表面粗糙參數(shù)和接觸載荷的無量綱參數(shù)?對法向無量綱平均熱流密度的影響規(guī)律，為內(nèi)燃機活塞環(huán)-缸套往復(fù)滑動接觸導(dǎo)熱的工
8、程化研究奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：摩擦學(xué)；導(dǎo)熱；滑動接觸；粗糙表面；有限元方法II北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文AbstractWiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology,energyconsumption,materi-allossandenvironmentalpollutio
