子午线轮胎接触变形的结构有限元分析

针对195／60R14子午线轮胎建立了三维非线性有限元模型，着重研究了额定充气压力及静载荷作用下帘线承受拉应力和剪应力的基本特征。计算结果表明，接地区域摩擦力呈斜对称分布，反映了轮胎中帘线-橡胶复合材料存在变形耦合效应；冠带层、带束层、胎体帘线应力分布较为复杂，载荷变化对其应力水平和分布影响较大；在胎肩部位应力较高，且随载荷变化局部帘线应力变化剧烈，在承受交变载荷时，易形成层间剥落。分析结果有助于预测轮胎的使用性能，可以针对性地应用于因轮胎结构设计引起的质量损坏，某些对轮胎使用性能不利的受力状态可通过结构的优化设计来克服。     

高频循环载荷下球面滑动副摩擦学特征研究

试验研究了高频循环载荷对重型差速行星齿轮与球形垫片组成的球面接触副摩擦学性能的影响. 通过激励不同质量弹簧振子产生极限幅值不同的高频循环载荷，利用离散小波变换分析摩擦力曲线，并对磨损过程和垫片磨痕进行观测. 研究表明:摩擦力低频信号成分可表征高频循环载荷下滑动副的实时摩擦状态和变化趋势；幅值过高的高频循环载荷易导致球面垫片发生疲劳磨损、犁沟磨损、材料塑性流动和变形等多种磨损类型；激励作用对球面配副的摩擦学特征影响显著，易破坏摩擦副摩擦状态的稳定性，可以通过降低瞬时高频载荷幅值和激励强度改善球面滑动副的摩擦学性能.      

高弹态未硫化橡胶在不同变形模式下的循环加卸载力学行为

对高弹态未硫化橡胶实施了不同变形模式(单轴拉伸和压缩)的循环力学实验，以考察其黏超弹性响应以及应变率对力学行为的影响。结果表明，材料的拉伸、压缩性能与加载速率和变形历史均有着显著的相关性。对于循环拉伸变形，应力-应变曲线的非线性特征较为明显，材料表现出类似于屈服的性质，且随着循环次数和变形量增加，迟滞损耗的积累趋势逐渐减弱；而对于循环压缩变形，应力-应变关系接近线弹性，且随着循环次数和变形量增加，材料刚度和迟滞损耗积累的趋势都逐渐增强。针对上述实验结果，在经典的Bergstrom-Boyce模型中引入损伤变量，对未硫化橡胶的应变率相关性和Mullins效应进行表征。理论计算结果表明，这种非线性黏超弹模型能够较好地描述未硫化橡胶在不同载荷条件下的变形响应与应力软化特征。     

对称拉压循环对HRB400E钢弹塑性行为影响的试验研究

对HRB400E钢在单向拉伸、拉压循环和循环后拉伸载荷作用下的力学行为进行了试验研究,采用0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%和1%八种对称应变幅对HRB400E薄壁圆管试件施加100周次拉压循环载荷,循环后施加单轴拉伸载荷直至试件断裂。试验数据分析表明,循环加载过程中HRB400E钢前10周应力应变曲线曲率明显变小,峰值应力明显下降,呈现循环软化特性,随着应变循环幅值的增大,循环滞回曲线稳定所需循环周次逐渐减小。HRB400E钢在不同应变幅循环后的拉伸弹性模量均出现下降,下降幅度约为3%～8%,屈服应力会随着预循环应变幅的增大而增大,随着预循环应变幅增大材料的硬化效应有所减弱。与单轴拉伸相比,循环后拉伸的强度极限和断裂应变无明显变化,塑性变形能力没有明显下降,破坏为典型的塑性剪切断裂模式,薄壁圆管试件断口中的断裂纤维区和剪切唇区位于接近管壁处,断面径向中部的断裂扩展区中,在大韧窝周围存在多个较小韧窝。     

纯铝在单轴应力循环作用下棘轮行为的试验研究

对纯铝进行了单轴应变控制和应力控制下的系统循环试验。对纯铝应变循环下的循环应变幅值、应变幅值历史、平均应变对循环特性的影响进行了揭示，对纯铝在非对称应力循环下的应力幅值、平均应力及其历史对循环蠕变〈即棘轮〉的影响进行了分析，得到了纯铝单轴循环行为的一些有意义的结果。     

N330炭黑增强天然橡胶材料力学性能的实验研究

为了研究炭黑对橡胶材料力学性能的影响,对9种不同体积含量的炭黑填充橡胶材料进行了准静态力学实验研究。利用循环拉伸加卸载实验分析了炭黑对橡胶Mullins效应及能量损耗的影响,通过单轴拉伸实验研究了炭黑对橡胶材料刚度和起始模量的影响,采用多步松弛拉伸加卸载实验研究了炭黑对橡胶材料应力行为的应变历史相关性的影响。实验结果表明:炭黑填充量越高,橡胶材料的刚度越大,初始模量越大,Mullins效应也越明显;随着炭黑填充量的增加,橡胶在加卸载循环中所产生的迟滞损耗、Mullins效应相对能量损耗以及残余应变都呈现出非线性增长趋势;随着炭黑填充量的升高,橡胶在加卸载过程中的应力松弛现象越明显,其平衡态迟滞损耗以及与时间相关部分的迟滞损耗也越大。     

裂纹闭合和循环塑性预应变及循环载荷压缩部分对裂纹扩展速率的影响

本文针对三种国产材料 Ｌｙ１１ｃｚ、 Ｌｙ１２ｃｚ 铝合金和 １８ Ｍｎ Ｈ Ｐ钢,通过实验初步考察了循环塑性预应变和循环载荷压缩部分对疲劳裂纹扩展的影响;采用电测法,测定了两种铝合金材料疲劳裂纹扩展的张开应力和有效应力强度因子幅值比 Ｕ。结果表明：（１）材料循环塑性预应变和循环载荷压缩部分,都使疲劳裂纹扩展速率提高;（２）常幅载荷下,在疲劳裂纹稳定扩展阶段,有效应力强度因子幅值比 Ｕ 与应力比 Ｒ 有关,与裂纹长度ａ 无关,并依赖于材料的力学性能。     

人股骨密质骨横断面的微动磨损特性研究

采用配置外加体液恒温循环装置的高精密微动试验台研究了天然活性股骨密质骨/纯钛的微动磨损行为,探讨了不同位移幅值下摩擦系数随循环次数变化的规律.结果表明,在90N法向载荷下,随位移幅值增加,股骨密质骨的微动运行状态从部分滑移向完全滑移状态转变.当位移幅值较小时,接触表面变形处于弹性协调状态,损伤轻微.随着位移幅值的增加,接触表面变形逐步向弹、塑性变形以及严重塑性变形和粘着转变,微动损伤加剧.与此同时,密质骨试件微动磨痕深度随位移幅值的增加而增大,并同摩擦系数存在良好的对应关系.为了提高密质骨抵抗微动损伤的能力,有必要控制植入体/骨界面的微动幅度和降低摩擦系数.     

热超弹性薄板非对称拉伸的分岔和稳定性

本文应用超弹性材料的有限变形理论分析了在面内等双向拉伸死载荷作用下不可压热超弹性方形薄板发生非对称变形的分岔及其稳定性问题.给出了方板变形的分岔曲线和临界载荷,发现对受面内等双向拉伸载荷作用的均匀方板,当拉伸载荷值较小时,方板双向等伸长变形,发生对称的拉伸变形;但当此载荷值大于某一临界值时,从方板的对称拉伸变形中分岔出非对称的变形,方板在两个方向的变形不再相等.通过变形发生分岔前后的能量比较发现,分岔后的对称变形是不稳定的,而非对称变形是稳定的.同时,给出了板中的应力分布曲线,并由不同温度下变形的分岔曲线和应力分布曲线讨论了温度对方板变形和板中的应力分布的影响.     

Inconel 718激光熔覆合金层切向微动磨损特性研究

采用激光熔覆沉积技术制备Inconel 718合金试样，通过自主研制的多功能复合微动摩擦磨损试验机，在平面/球的点接触模式下进行切向微动磨损试验，探究合金试样在不同法向载荷和不同位移幅值下的磨损特性.试验结束后，对获得的摩擦力-位移曲线、摩擦系数曲线和耗散能等结果进行详细的动力学特性分析，再采用扫描电子显微镜和三维形貌仪对磨损表面及磨痕截面进行微观分析，得到其磨损形貌及主要的磨损机制.结果表明：当位移幅值不变时，随着法向载荷的增加，微动运行状态由完全滑移区转变成混合区，材料的磨损损伤逐渐加剧，微动磨损导致的能量耗散增加；随着位移幅值增加，材料的磨损损伤同样加剧；微动磨损区域出现裂纹的萌生和扩展现象，其主要的磨损机制为疲劳磨损、氧化磨损和磨粒磨损.     

锻造CoCrMo合金关节材料的摩擦腐蚀行为

采用UMT-2多功能摩擦磨损试验机和电化学工作站(CHI614E)考察了锻造Co Cr Mo合金在25%小牛血清溶液条件下的摩擦腐蚀性能,利用扫描电镜观察了摩擦腐蚀的形貌特征,对腐蚀损失量、机械磨损损失量及腐蚀和磨损的协同损失量进行了对比分析.结果表明:锻造Co Cr Mo合金的腐蚀电位(Ecorr)约-820 m V,在0.5~0.75 V区间出现二次钝化.不同载荷条件下,摩擦腐蚀的摩擦系数均大于纯摩擦系数,且随载荷的增加而减小,摩擦腐蚀电流则随载荷的增加而增大.随载荷的增加,机械磨损损失量所占比例增大,腐蚀损失量所占比例降低.摩擦腐蚀的协同损失量占到总损失量的30%以上,且随载荷增加而增大.     

Energy corrugation in atomic-scale friction on graphite revisited by molecular dynamics simulations

Although atomic stick–slip friction has been extensively studied since its first demonstration on graphite,the physical understanding of this dissipation-dominated phenomenon is still very limited. In this work, we perform molecular dynamics(MD) simulations to study the frictional behavior of a diamond tip sliding over a graphite surface. In contrast to the common wisdom, our MD results suggest that the energy barrier associated lateral sliding(known as energy corrugation) comes not only from interaction between the tip and the top layer of graphite but also from interactions among the deformed atomic layers of graphite. Due to the competition of these two subentries, friction on graphite can be tuned by controlling the relative adhesion of different interfaces.For relatively low tip-graphite adhesion, friction behaves normally and increases with increasing normal load. However,for relatively high tip-graphite adhesion, friction increases unusually with decreasing normal load leading to an effectively negative coefficient of friction, which is consistent with the recent experimental observations on chemically modified graphite. Our results provide a new insight into the physical origins of energy corrugation in atomic scale friction.     

基于表面织构技术改善摩擦学性能的研究进展

利用表面织构技术改善材料表面摩擦学性能已被大量应用于许多工程领域. 然而,通过表面织构技术提高材料表面的减摩耐磨性能的确切机理仍不清楚,因此,研究人员进行了大量表面织构几何特征和工况条件的优化来研究表面织构技术的机理及应用范围. 本文作者回顾了近年来表面织构技术在控制摩擦方面的主要研究成果,从不同润滑条件下的减摩机制与理论模型展开讨论,重点从表面织构的几何特征和实际工况条件两个方面来评述改善材料表面摩擦学性能的最新进展,其中,几何特征包括表面织构的纹理形状、直径、深度、面密度和排列方式;实际工况条件取决于摩擦形式及操作条件,根据摩擦系数、磨损量、承载能力、阻力系数及升力系数等体现摩擦学性能的参数,对改善表面摩擦学性能的参数和条件进行分析和总结. 深入研究精确的理论模型和普适性的模拟方法并开发改善摩擦学性能的参数优化方法是未来的研究重点和方向.      

多孔性镍基石墨复合电镀层的摩擦学特性研究

作者在对石墨粒子以表面活性剂进行润湿处理后,利用电镀的方法制取了多孔性Ni-石墨复合镀层。该镀层的孔隙率高且分布均匀,容易被油润湿,故其润滑性能良好。本文比较详细地研究了这种镀层的摩擦学特性,并以电感耦合等离子体发射光谱法研究了电解液中石墨粒子的吸附特性,且以X-射线透反射法证明了石墨粒子在镀层中具有择优取向性,同时讨论了镀层的表面及断面形貌。文章还对镀层的形成过程进行了理论分析与探讨。     

食管黏膜组织在轴向延伸下的摩擦特性研究

对食管黏膜组织沿轴向分别以不同的延伸率进行延伸,再通过往复摩擦试验近似模拟内镜前端进入食管的过程,研究了食管黏膜组织在不同轴向延伸率伸长下的摩擦性能变化.结果表明:从轴向无延伸到延伸率达到80%时,内镜前端与食管黏膜组织间的摩擦运行行为从食管黏膜组织只发生弹性变形的黏着状态变化到黏着和滑移的混合状态,摩擦阻力和能耗增大,摩擦系数增加.食管黏膜组织的摩擦学性能与其表面结构和力学性能密切相关.在沿轴向延伸率逐渐增加的延伸状态下,食管黏膜表面的皱褶被拉平,维持黏液润滑的特性变差;随着食管黏膜组织轴向延伸率的增加,黏膜组织的弹性模量增加,抵抗摩擦变形的能力增强,摩擦阻力增大.研究结果为临床胃镜诊疗的安全操作提供了理论依据.     

端面宽度对机械密封极限pcv (pressure×velocity)值的影响

端面宽度是机械密封的重要设计参数,为了研究端面宽度对机械密封极限p_cv值(端面比压p_c×端面平均线速度v)的影响,本文作者选取浸呋喃树脂石墨与微孔常压烧结碳化硅作为密封摩擦副,采用定速度变载荷和变速度定载荷两种不同测试方法获取了五种端面宽度摩擦副的极限p_cv值,分析了不同端面宽度摩擦副在不同测试方法下的摩擦系数时变特性和密封介质温度时变特性,并通过扫描电子显微镜和三维激光形貌仪分析了摩擦副的表面磨损特征. 结果表明:在相同测试方法下,与较宽端面摩擦副相比,较窄端面摩擦副的极限p_cv值较高并且密封失效时摩擦系数较小而密封介质温度较高;在给定端面宽度条件下采用定速度变载荷方法测试时,较高速度15.68 m/s对应摩擦副的极限p_cv值相对于较低速度7.84 m/s时较高,其中极限p_c值较低;达到极限p_cv值时,摩擦副表面的磨损机理主要为黏着磨损,其诱因在于端面摩擦扭矩的突增引起端面过热,导致两密封端面因液膜汽化加剧发生干摩擦. 定速度变载荷和变速度定载荷两种方法均可用于测试机械密封极限p_cv值,但采用变速度定载荷方法测试时密封失效对应的摩擦系数突增幅度相对较不明显,失效的现象较难捕捉,石墨表面被破坏的程度也较轻. 在满足材料强度的要求下,减小端面宽度,有效避免端面过热,有利于机械密封达到更大的极限p_cv值. 本文为机械密封极限p_cv值的测量以及端面宽度的设计和密封的延寿方法提供了指导.      

粉末冶金Cu-Fe复合材料的摩擦磨损行为

研究了 Ｆｅ 含量、施加载荷和滑动速度对粉末冶金 Ｃｕ Ｆｅ 复合材料摩擦磨损性能的影响,并用电子显微镜和 Ｘ 射线能谱分析了 Ｃｕ Ｆｅ 复合材料的磨损机理．结果表明：载荷和滑动速度对摩擦系数影响不大, Ｃｕ Ｆｅ 复合材料的摩擦系数随 Ｆｅ 含量的增加略有增加;在低载荷下,随 Ｆｅ 含量的增加, Ｃｕ Ｆｅ 复合材料的耐磨性提高;当载荷大于 ２００ Ｎ 时,含 Ｆｅ 量高的复合材料的耐磨性反而降低;在低载荷高速滑动条件下,随滑动速度的增加, Ｃｕ Ｆｅ 复合材料磨损率下降     

General results for complete contacts subject to oscillatory shear

In this paper, we consider the general interfacial characteristics of a square elastic block, pressed onto an elastically similar half-plane by a constant normal force, and subjected to oscillatory shear. It is found that there is a critical coefficient of friction, 0.543, above which the contact is permanently stuck along its entire length for a shearing force below about 55% of that needed to cause sliding. For shearing forces above this, the contact interface will either shakedown to a fully adhered state (depending on the degree of reversal of the shear loading) or will exhibit cyclic slip at an interior point. If the coefficient of friction is below 0.543, the application of normal load alone will produce equal and opposite slip zones attached to the contact edges. The subsequent imposition of a shear force causes the leading edge slip zone to increase in length while the presence of residual slipping tractions at the trailing edge causes the trailing edge to lift off. Under oscillatory loading, the contact edges cycle between slip and separation over a minute region while an interior point may exhibit cyclic slip if the loading history is sufficiently demanding. The results found are of practical relevance to the study of fretting fatigue of complete contacts, such as some types of spline joint.     

Micromechanical theoretical and computational modeling of energy dissipation due to nonlinear vibration of hard ceramic coatings with microstructural recursive faults

Engine failures due to high-cycle fatigue during severe dynamic vibration have cost the US Air Force an estimated $400 million dollars per year over the past two decades. Therefore, structural materials that exhibit high damping capacities are desirable for mechanical vibration suppression and acoustic noise attenuation. Few experimental studies suggested that hard ceramic coatings, which are commonly used as thermal barrier coatings (TBCs) to protect engine components from high temperatures and corrosion, can also serve as passive dampers due to their unique microstructure which consists of several layers of splats with inter- and intra-microstructural recursive faults (micro-cracks). Therefore, the focus of this study is on the development of a fundamental understanding of the unique microstructural features and mechanisms responsible for this observed energy dissipation in ceramic coatings under nonlinear vibration through the development of a micromechanical computational framework. Inter- and intra-fatigue damage and internal friction is simulated through the development of thermodynamic-based nonlinear cohesive laws that consider interfacial degradation, debonding, plastic sliding, and Coulomb/contact friction between the interfaces of microstructural faults. Representative volume element-based micromechanical simulations are conducted in order to assess the main micromechanical mechanisms responsible for the experimentally observed nonlinear (amplitude- and frequency-dependent) damping in plasma sprayed hard ceramic coatings. It is concluded that the major part of energy dissipation is achieved through contact friction which results from sliding of the splat interfaces along the microstructural recursive faults. Energy dissipation due to progressive decohesion and evolution of new micro-cracks is not that significant as compared to energy dissipated due to increased friction from existing and new created faults. Therefore, internal friction is the main mechanism that makes TBCs effective dampers.     

织造中碳纤维束间的摩擦磨损试验模拟

织造过程中碳纤维束的摩擦磨损会导致成型后复合材料制件的机械性能下降. 采用自制的试验装置模拟织造过程中经纬纱线间的相互作用，研究了法向负载、预加张力和摩擦速率对碳纤维束摩擦磨损行为的影响. 结果表明:碳纤维束的摩擦系数随着法向负载的增加而减小，其磨损程度随着法向负载的增加而增大，相对应的碳纤维束拉伸断裂强力也逐渐下降；碳纤维束的摩擦力和摩擦系数因实际摩擦接触面积的变化随预加张力的增加而增大；摩擦速率的增加几乎不影响碳纤维束的摩擦力和摩擦系数，但延长了其测试值达到稳定所需的周期数.