扭動微動條件下的磨損與疲勞競爭機制研究

《扭動微動條件下的磨損與疲勞競爭機制研究》是依託西南交通大學，由沈火明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：扭動微動條件下的磨損與疲勞競爭機制研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：沈火明
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

扭動微動是在交變載荷下接觸副產生微幅扭轉（角度幅值不超過幾度）的相對運動，在很多迴轉部件中較常見，如球窩關節、球閥、車輛心盤等，國內外的研究至今不夠系統，特別是微動白層的形成機制和微動疲勞裂紋的萌生擴展機制。本研究將首先建立合理的磨損預測公式和表面摩擦模型，利用數值模擬實現對扭動微動界面的幾何演化、表面非均勻動態摩擦因數的影響的預測分析，同時結合實驗研究，建立不同材料的扭轉微動的運行工況微動圖、損傷回響微動圖和微動白層的形成及演變過程，揭示不同接觸方式的扭動微動在材料損傷機制上的差異。在此基礎上，結合磨痕和剖面形貌分析，研究扭動微動條件下摩擦白層的形成機制，材料局部磨損與疲勞之間的競爭關係，進而揭示裂紋萌生與白層的相互作用關係，以及磨損和疲勞的相互競爭機理。本研究不僅具有重要的科學價值和理論意義，而且對高速鐵路輪軸冷切斷裂和人工心臟瓣膜磨損等的工程問題的解決具有重要指導意義。

結題摘要

扭動微動磨損是在交變載荷作用下發生在相互接觸表面的角位移幅值極小的往復運動。扭動微動現象廣泛存在於航空業、生物摩擦學、機車零部件等各個王業領域中，不易察覺，但是危害損傷性極大。本項目首先在配置高精度低速往復轉動台的CETR UMT-2型多功能摩擦磨損試驗機上進行實驗，採用球（GCrl5鋼球）一平面（鋁合金平面）接觸模型，分別探討了角位移幅值、法向載荷、循環次數等參數對5083鋁合金以及7050鋁合金扭動微動特性的影響。隨後基於接觸問題有限元方法對扭動微動開展數值分析，研究關鍵微動參數對接觸表面及次表面的應力應變分布的影響。從力學角度分析扭動微動磨損損傷特性，並將力學行為和實驗現象進行對比分析；並利用有限元軟體用戶子程式引入接觸表面隨時間和空間各項同性變化的摩擦係數，對扭動微動磨損進行數值模擬。同時開展塗層扭動微動有限元分析，通過與基體力學行為的比較，探討固體潤滑塗層在抗扭動微動磨損中套用的可行性。並且建立了一種可以有效預測粗糙表面下，考慮材料耗散的扭動微動磨損的數值模型，採用半解析法計算接觸區的壓力分布，採用離散卷積快速傅立葉變換和共軛梯度法可以有效的求解扭動微動磨損中的接觸問題，提高了計算的效率。