粗糙结合面弹塑性接触摩擦磨损分析及能量耗散研究

【摘要】：在机械装备制造自主创新不断突破的同时,高端装备将面临更加复杂、更加严苛的服役工况,而机械装备中的结合面性能将成为制约未来发展的关键科学技术问题。因此,面对日益复杂的运行环境和更高标准的性能要求,准确预测和控制结合面的接触行为是研制高端装备的基础和关键。机械结合面的切向作用模型本质上是一种摩擦模型,由于摩擦性能的影响因素众多、机理复杂,始终未形成普适性的结合面接触理论。而且综观结合面的动、静态特性研究,实验测量的定性研究方式偏多,理论计算的定量研究方式偏少。所以本文旨在完善结合面的接触理论研究,建立考虑表面形貌、弹塑性变形、材料特性等多因素耦合的非实验拟合摩擦磨损模型,并通过实验研究验证理论模型的有效性。本文的主要研究内容如下:(1)基于结合面的真实粗糙形貌,提出了表面轮廓的数字模拟方法。通过数学方法定义了统一的空间域功率谱密度,并推导出时间域中滤波器序列的延拓标准和传递函数的相角范围,从而获得满足分形维数、轮廓高度分布、自相关函数要求的数字粗糙表面。在此基础上,通过坐标转换和小波理论对数字表面进行降维降噪处理,并提取出不同尺度的表面轮廓。(2)考虑结合面的弹塑性变形和相对滑动,建立了多因素相互耦合的磨损模型。在return-mapping(返回映射)算法的基础上,使用Newton-Raphson迭代法求解接触体弹塑性应力分布。随后以整体滑移的结合面为研究对象,根据Johnson协调方程和Archard磨损定律建立多因素耦合的法向接触模型,融合return-mapping算法和共轭梯度法,求解结合面的压力分布和磨损形貌。最后通过环-块磨损实验验证模型的有效性。(3)基于可测量表面形貌和材料性能,提出了无需实验标定的跨尺度切向微动模型。引入滑移指数定量描述结合面的接触状态和运行工况,采用平行四边形包络线确定微动的主要表征参数。从宏观尺度“唯像”模型出发,结合整体滑移工况的特点,求解出微观尺度“唯像”模型的一个Iwan解,进而推导出跨尺度切向微动模型。随后利用提出模型预测结合面的初始切向刚度、能量耗散、滑移指数等微动特征参数。(4)基于结合面的切向作用研究,提出了多形貌参数耦合的定量分析模型。利用Pearson系统,推导出满足任意表面形貌要求的且计算性能良好的概率密度函数。在此基础上,建立了耦合多形貌参数的量纲一化切向面接触模型。随后借助数学方法揭示了轮廓高度分布随表面粗糙度变化的规律,并定量分析了塑性指数、偏态及峰态等形貌参数对结合面接触性能的影响。(5)针对结合面的隐蔽性和难以观测性,研制了一种基于直接法的高精度切向作用实验平台。选择满足实验设计要求的驱动装置、测量装置和数据采集装置,搭建平面/平面切向作用实验平台。在完成平台的校准实验后,利用准静态实验和切向微动实验,观察剩余刚度、新增界面、磨损、表面形貌、激励条件等因素对结合面接触性能的影响,从而验证理论模型的有效性。