扭動微動磨損損傷力學機理研究

《扭動微動磨損損傷力學機理研究》是依託西南交通大學，由劉娟擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：扭動微動磨損損傷力學機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉娟
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

扭動微動磨損是指交變載荷下接觸副接觸界面發生微幅扭動的相對運動，通常發生在承受交變扭矩載荷的迴轉部件中。其產生的損傷會引發機械零部件服役安全及人體生命健康問題。目前的試驗研究建立了扭動微動磨損的運行和損傷機理，但缺乏對其損傷力學機理的認識。本研究將建立能合理描述扭動微動表面摩擦損傷行為的數值分析模型，考察不同微動參數和材料性質對接觸應力分布的影響；推導單調遞增扭矩作用下球—平面接觸位移場和應力場的控制方程，研究法向應力和切向應力的分布及演化規律；同時開展兩種典型鋁合金扭動微動磨損試驗，建立其運行工況微動圖，結合微觀分析，總結損傷規律；通過接觸力學理論研究、數值模擬和實驗驗證的綜合分析，確定控制扭動微動損傷的力學參量，揭示扭動微動磨損損傷的力學機理和局部磨損與疲勞競爭機制的力學機理。本研究不僅對深化微動損傷理論有重要科學意義，也為高速列車車軸冷切斷裂問題的解決提供了工程指導。

結題摘要

本研究對不同材料配副開展了扭動微動磨損實驗研究，通過運動動力學曲線分析﹑磨斑形貌演變分析﹑二維輪廓分析和磨損機制分析，對比了材料性質對扭動微動磨損性能的影響。同時，基於理論分析和有限元方法，通過用戶子程式嵌入摩擦生熱模型，建立扭動微動熱力耦合有限元分析模型開展摩擦熱作用下的微動接觸力學行為研究，研究了材料性質對扭動微動接觸表面及次表面的應力應變分布以及溫度的影響，研究了不同扭動微動運行區域下溫升、應力應變的分布和隨微動循環的變化。基於Green函式推導接觸問題的位移和單位應力關係解析解，即推導相應的影響係數，建立了基於半解析法（SAM）的數值分析模型，並通過離散卷積-快速傅立葉變換（DC-FFT）技術和共軛梯度法（CGM）來加快求解和收斂速度；通過修正Archard方程﹑引入變摩擦係數模型，考慮更加符合實際的表面摩擦和表面幾何演化；利用此模型，對鋁合金-GCr15鋼摩擦副的扭動微動磨損行為進行了預測，考查了粗糙表面的接觸壓力和黏滑狀態，同時研究在不同法向力和切向力情況下，最大應力出現位置以及界面微滑情況。通過接觸力學理論研究、數值模擬和實驗驗證的綜合分析，確定控制扭動微動損傷的力學參量，揭示扭動微動熱力耦合效應和磨損損傷力學本質規律。此外，本項目還建立了三維熱彈性塗層板滑動接觸模型，利用伽利略變換和傅立葉變換，求得了位移場、應力場、溫度場在傅立葉域下的解，利用共軛梯度法和快速傅立葉變換求得了塗層壓頭與塗層板之間的熱流分配。此部分工作為進一步研究熱彈性塗層板在扭轉載荷作用下的扭動微動接觸問題奠定了基礎。 綜上所述本研究揭示了扭動微動損傷的力學本質規律，同時為建立局部磨損與疲勞競爭機制形成的力學機理奠定了基礎，為深入認識扭動微動損傷力學機理﹑提出防護措施提供了重要支撐。