微機械摩擦副接觸力學行為跨尺度耦合分析方法研究

《微機械摩擦副接觸力學行為跨尺度耦合分析方法研究》是依託昆明理工大學，由楊曉京擔任項目負責人的地區科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：微機械摩擦副接觸力學行為跨尺度耦合分析方法研究
• 項目類別：地區科學基金項目
• 項目負責人：楊曉京
• 依託單位：昆明理工大學

項目摘要

微機械摩擦副接觸力學行為直接關係到微機電系統的設計、製造、使用壽命等諸多方面。它表現出不同於巨觀接觸力學的新特性,有許多特殊現象和規律有待進一步探索和研究，需要發展新的分析理論與方法。項目以微機械摩擦副表面相互接觸和接觸滑動過程的力學行為作為研究對象，研究跨尺度耦合分析的理論與方法，建立能有效適應微機械摩擦副表面相互接觸作用和接觸滑動過程的跨尺度耦合分析模型，確定模型求解方法和求解所涉及的材料力學參數、邊界條件和初始條件。同時，開展試驗驗證工作，修正模型和完善跨尺度耦合分析方法，找到有效的跨尺度耦合分析方法對微機械摩擦副表面相互接觸作用過程和接觸滑動過程進行分析，揭示微機械摩擦副粘著、磨損過程中表面接觸的力學機理。通過研究，為微機械摩擦副接觸力學行為分析提供新的分析理論和方法，不斷推動微尺度接觸、摩擦與磨損力學和微納米力學的完善與發展，為微機電系統的分析、設計、製造及套用提供基礎理論。

結題摘要

微機械摩擦副接觸力學問題實質上是微納尺度下的接觸力學行為，它關係到微機械系統的設計、製造、使用壽命等諸多方面。項目的研究對推動微機械基礎理論的發展及套用具有重要意義。項目研究了微納尺度表面相互接觸和接觸滑動過程的分子動力學分析方法、連續介質有限元分析方法、跨尺度耦合分析方法，開展了微納尺度接觸力學行為的實驗研究。分子動力學是跨尺度耦合分析方法的基礎，通過分析微機械摩擦副典型的接觸形式，採用分子動力學方法對納米尺度的球面－球面、球面－平面、平面－平面等類型的接觸力學行為進行分子動力學建模與分析；對球面－平面、平面－平面等類型的滑動接觸過程中的力學行為進行分子動力學建模與分析；研究了原子狀態變化、作用力變化、變形區以及接觸摩擦磨損機理等。在連續介質有限元分析尺度，對球面-平面微尺度接觸過程的力學行為、不同形狀壓頭微尺度接觸過程的力學行為、球面-平面微尺度接觸滑動過程的力學行為、不同材料微尺度接觸過程的力學行為進行了有限元分析。獲得各種接觸過程中的應力應變分布、彈塑性變形等力學特性。並進行了實驗對比分析。對微齒輪在動態接觸過程中的應力變化進行了有限元分析。開展了跨尺度耦合分析方法的研究，研究了準連續介質跨尺度方法和橋域多尺度方法，初步提出了廣義質點動力學多尺度方法。基於準連續介質方法，針對微納尺度接觸分析進行改進後，首先，對微納尺度球面-平面接觸力學行為進行跨尺度耦合分析，建立了剛性球形壓頭與單晶鋁基體表面接觸過程的跨尺度分析模型,研究了接觸與脫離過程中微觀變形時原子狀態以及壓頭形狀對位錯的形核和發射產生的影響。然後，對微納尺度平面-平面接觸力學行為進行跨尺度耦合分析，分析了不同尺寸方形壓頭的平面與單晶鋁基體表面在接觸過程中的力學特性和塑性變形過程。接著，對微納尺度接觸滑動過程力學行為進行跨尺度耦合分析，分析了球面探針與單晶鋁基體表面的接觸滑動摩擦過程，揭示了接觸滑動過程中的變形機制。研究也表明，跨尺度耦合分析方法在計算規模和分析效果上具有分子動學方法和連續介質有限元方法的優點。利用納米壓痕儀和原子力顯微鏡，在探針與試件之間形成不同類型的微納尺度接觸。然後通過探針與不同材料、不同晶向的試件表面之間的接觸力學行為實驗和接觸滑動力學行為實驗，分析了微納尺度接觸和滑動接觸過程中力學參數變化、作用力變化的力學特性以及接觸變形的特點，揭示微納尺度表面接觸的力學機理。