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高温发汗润滑胞体的接触稳定性研究

解芳  
【摘要】:高温发汗自润滑材料是基于人体汗腺结构及其发汗原理,构建和制备的具有内贯通有序微孔结构和内梯度润滑层的高温自补偿润滑仿生胞体材料。该材料由具有有序微孔结构的多孔基体(胞体)和浸渍于微孔(胞孔)中的固体润滑剂(润滑体)两部分组成。在摩擦过程中,材料基体主要起承担载荷的作用,而润滑剂则主要起降低摩擦表面的摩擦系数,减小磨损的作用。由于摩擦副的外载荷主要由基体承担,因此,要求材料基体具有高的强韧性,以保证摩擦部件在具有高耐磨性的同时,材料微孔中的固体润滑剂能顺利地排出并富集在摩擦表面,从而实现其耐磨性和自补偿润滑功能的统一。该研究是在国家自然科学基金和教育部高等学校博士学科点专项科研基金的资助下完成的。 本文以高温发汗自润滑材料的多孔基体为研究对象,基于其厚壁均质有序微孔结构特征,建立了可表征各种孔结构形态的高温发汗自润滑材料多胞体理论模型,并引入特征值λ,导出了求解其相对密度和孔隙率的广义公式。探讨了其结构特征值对抗压强度的影响,得出了当特征参数λ0.4时,可将多胞体材料看成连续介质体的重要结论。 建立了高温发汗润滑厚壁胞体的接触力学模型,并应用胞壁等效曲梁计算方法求解其接触力学问题。研究表明:厚壁胞体接触强度的影响因素主要是由胞壁弯曲变形引起的胞孔孔口的应力集中现象。 利用YE-600型液压式压力试验机研究了厚壁胞体的接触稳定性。研究表明:厚壁胞体的接触强度随着孔隙率的增大而减小;胞孔分布半径的增大和胞孔个数的增加均有助于提高厚壁胞体的接触强度;布孔方式和承载方向亦对接触强度有影响。厚壁胞体材料发生接触失效时,其裂纹萌生于最大正号的主应力点,且裂纹沿着应力梯度变化最快的方向扩展,而与外载荷的加载方向无关。提出应用外切接触应力圆法判断厚壁胞体接触过载时裂纹的萌生位置及顺序。 通过构建具有四种典型形状胞孔的异形孔结构厚壁多胞体模型,研究了异形孔结构对厚壁胞体接触稳定性的影响。研究表明:异形孔的存在降低了厚壁胞体材料的接触强度,正三角形、正四边形和正六边形胞孔的相对孔隙率的增加均会导致材料接触强度的降低,其中正三角形胞孔的影响最大。 通过常温及高温试验对比研究得出:温度的升高导致厚壁胞体材料接触强度的降低,变形程度的增大以及裂纹的深化。温度升高主要改变的是材料基体的力学性能,而裂纹萌生位置及扩展方向均与环境温度无关。 研究了切向摩擦力对胞体接触稳定性的影响。研究表明:由于孔结构的对称性,切向力的存在对单孔厚壁胞体的接触稳定性影响不大;但是对多孔厚壁胞体的接触稳定性影响很大。


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