磁头/磁盘滑动接触下磁盘温度及热退磁临界条件的研究

采用二维轴对称有限元模型计算磁头/磁盘滑动接触下,铝质磁盘的稳态温度和热应力场以及热退磁临界条件.结果表明:磁盘温度在极短时间内升至摩擦稳态值,然后缓慢线性升高到最终稳态值;经过充分热传导和热交换后磁盘的温度梯度较小,此时磁层内的热应力集中分布于磁盘固定端边缘附近;磁盘的稳态温度和热应力均随速度增大而增大,且载荷越大其值增大越快;热应力小于1.2 GPa时所对应的速度和载荷为安全工况;温升大于373 K时所对应的工况将导致磁盘退磁.     

全制动工况下轮轨热-机耦合效应的分析

采用有限元法从摩擦热效应角度探寻轮轨表面破坏的原因,建立了轮轨热-机械载荷耦合接触模型,分析纯滑动接触过程中轮轨的温升以及热应力,模型中考虑了轮轨间非稳态热传导、与环境的热对流和热辐射以及轮轨间的接触计算,分析了滑动接触过程中应力场的分布特点以及速度的影响.结果表明:所采用的接触算法能够求解二维轮轨全制动工况下的热接触问题;轮轨摩擦热效应只存在于表层,其影响随着深度增加而减小;轮轨的相对滑动速度越高,其热效应越明显.     

风沙环境下钢结构涂层的冲蚀磨损力学性能研究

针对钢结构涂层耐久性受风沙侵蚀和劣化问题,在研究风沙环境特征和钢结构涂层力学性能的基础上,利用接触理论和LS-DYNA有限元分析程序分析了涂层受冲蚀时的最大接触动力、最大接触半径、最大接触应力,并分析了应力场分布规律和屈服极限风沙流速度。分析结果表明：最大接触动力、最大接触半径、最大法向动应力随冲蚀速度和角度的增加而增大,当冲蚀速度、角度分别为35m/s、90°时,其达到最大值4.09×10-2N、4.24×10-5m、1.08×107Pa;最大切向动应力随冲蚀角度的增加而减小,当冲蚀速度为35m/s 时,冲蚀角度为5°和90°时对应的应力分别为9.36×107Pa 和0;得到了涂层表面和内部应力场,在对称轴0.56z a=处,剪应力最大值0.277 pτ=1max 0,剪应力最大值点即是材料接触流动的起始点,因此可预计塑性流动将在涂层表面下方开始发生;当垂直冲蚀时涂层材料不屈服的极限射流速度为18m/s。     

轮轨滚动摩擦温升分析

利用有限元法,考虑轮轨间非稳态热传导、与环境的热对流以及热辐射的影响,建立了轮轨滚动接触热耦合计算模型来模拟轮轨滚滑摩擦温升;在模拟轮轨纯滑动条件下,计算分析了由磨损引起的滑动接触斑的尺寸增大对轮轨温度场的影响;在模拟轮轨接触斑部分滑动工况时,针对不同蠕滑率、摩擦系数以及轴重对轮轨温度场的影响进行了相应的计算分析.结果表明:接触斑材料的磨损速度只影响磨损过程中的温度场分布,其稳态温度场分布基本一致;热载荷随着纵向载荷、蠕滑率以及摩擦系数的增大而增大,进而影响轮轨滚动接触热疲劳.     

基于Hertz 理论圆柱和平面之间的滑动接触分析

当圆柱与平面之间产生摩擦滑动接触时,基于Hertz理论,推导了平面内应力分量的计算公式,分析了应力的分布,描述了应力分布的特点.在接触表面上,存在最大拉应力和最大压应力;最大拉应力出现在拖动边的边缘,而最大压应力发生在导向边的区域.因此,如果接触平面因拉或压应力引起失效,首先会出现在接触表面;第一型裂纹的产生及扩展首先会发生在拖动边的边缘.剪应力,主剪应力及Von-M ises等效应力(当摩擦系数较小时)的最大值均会出现在接触体内,存在于导向边.因此,塑性滑移开始首先会发生在接触体内,然后,才扩展到接触表面.这些结论为工程应用研究提供了依据.     

表面形貌变形对塑性成形滑动接触界面摩擦的影响

为了更好地理解塑性成形滑动接触界面的摩擦行为,构建了一种新型的摩擦试验装置,运用表面纹理化技术制备了两类表面形貌的1050铝材试件,在不同的接触压力和滑动速度条件下进行一系列拉伸摩擦试验.对试验前后试件三维表面形貌进行了测量;提取真实接触面积比、封闭空体面积比和开放空体面积比等三维表面参数,来描述试件表面形貌的变化.试验发现:摩擦系数随名义接触压力和滑动速度增加而逐渐减小;试件初始表面形貌对摩擦有明显的影响;试件表面形貌和参数随接触条件出现了规律性变化.基于机械流变模型的分析表明:随着试件表面形貌变形,不同的机理决定界面摩擦行为,摩擦系数对名义接触压力和滑动速度的依赖性可分别归因于微观塑性流体动压润滑效应和入口区流体动压牵引效应.     

肠道内表面形貌对其摩擦性能影响的研究

为了调查肠道内表面形貌对其摩擦性能的影响,本文以家兔小肠为研究对象,表征了其内表面形貌,测试了肠黏液的润滑性;在排除肠道正压力条件下,测试环向应变、载荷、滑动速度与摩擦系数的变化关系.实验结果表明:小肠内表面存在着皱襞、绒毛、微绒毛;肠黏液可将摩擦系数降低到10-2数量级;环向应变10%是摩擦系数变化的临界值,小于10%摩擦系数不受载荷和滑动速度的影响,大于10%摩擦系数随载荷和滑动速度增大而增大.通过分析环向应变、内表面形貌、肠黏液、载荷、滑动速度与摩擦系数之间的关系,得出摩擦系数变化的机理:当环向应变小于10%,润滑形式为液体润滑;当径向应变大于10%,皱襞被拉伸褶皱消失,润滑形式转化为混合润滑.小肠摩擦性能的研究对胶囊内窥镜、肠道机器人外观设计提供了实验数据,对推进微创、无创诊疗有着重大意义.     

锚固体红外温度场与应力场特性研究

为了研究锚固体力-热耦合机制,分别对不同类型的锚固体加载变形破坏过程进行试验研究。应用红外热像技术,获得红外温度场,同时对锚固体进行应力场数值分析。结果显示:中心位置布置单根锚杆的锚固体;应力峰值前,随着荷载的增加,红外温度场呈现整体均匀性升温变化;应力峰值后,在锚杆周围形成一个由多条不同等温线组成的区域,其形状是以锚杆为中心的近似圆形区域,由内向外,温度逐步降低;有锚杆一侧围岩红外温度高于无锚杆一侧,锚杆周围形成一个近似"喇叭"状的等温线图,高温等温线对应高应力区,低温等温线对应低应力区,红外温度场与应力场之间存在空间分布对应关系。     

粉末热压扩散与应力场耦合的力学模型

以弹性接触应力场为初始条件,建立了热压条件下球形颗粒表面扩散与应力场耦合的力学模型. 引入包含表面能项级数形式的应力函数,以描述随时间演化的表面扩散过程及扩散对应力场演化的影响. 而应力场通过改变化学势梯度,又会促进(或阻止)表面扩散结合的进程.利用该模型分析了压力、温度和界面区应力场演化对致密化参数的影响. 比较了满足粘着或非粘着对结合宽度和应力分布的影响,将考虑粘着的弹性接触应力场作为初始条件,分析了弹性变形和表面扩散共同驱动的粉末冶金热压烧结致密化规律.      

锚固体变形破坏过程中红外温度场与应力场的分析与比较

应用红外热像技术分别对不同类型的锚固体加载变形破坏过程进行了试验研究。试验结果表明,对于中心位置布置单根锚杆的锚固体:应力峰值前,随着荷载的增加,红外温度场呈现整体均匀性升温变化;应力峰值以后,在锚杆周围形成一个由多条不同等温线组成的区域,其形状是以锚杆为中心的近似圆形区域,由内向外温度逐步降低。有锚杆一侧围岩红外温度高于无锚杆一侧,锚杆周围形成一个近似"喇叭"状的等温线图;高温等温线对应高应力区,低温等温线对应低应力区;红外温度场与应力场的空间分布存在对应关系。     

单自由度冲击扰动下模拟磁头／磁盘系统接触回复特性的实验研究

采用自制的试验装置研究了单自由度冲击扰动下磁头 /磁盘系统的接触回复特性 ,分析了不同载荷下球形模拟磁头跳跃振动回复系数和接触时间与输入速度之间的关系 .结果表明 :当载荷较小时 ,回复系数随着输入速度的减小而增加 ,而当载荷较大时 ,回复系数随着输入速度的减小而减小 .在不同载荷条件下 ,接触时间均随输入速度的减小而缩短 ,但小载荷下接触时间缩短的幅度较大 .球形模拟磁头的回复特性和接触时间与载荷、输入速度及润滑膜特性有关 ,增大载荷和选择合适的润滑剂均可抑制跳跃振动     

Combined effects of rotation and translation on a MHD flow due to compressible viscous fluid

Summary The modification of an axi-symmetric viscous flow due to a relative rotation of a disk or fluid by a translation of the boundary are studied. The fluid is taken to be compressible and electrically conducting. The equations governing the motion are solved iteratively through a central-difference scheme. The effect of an axial magnetic field and disk temperature on the flow and heat transfer are included in the present analysis. The translation of the disk or fluid generates a velocity field at each plane parallel to the disk (secondary flow). The cartesian components of the velocity due to the secondary flow are oscillatory in nature when a rigid body rotation of the free stream along with a translation of the disk is considered. The magnetic field damps out the velocity field, and reduces the thickness of the boundary layer. The cross component of wall shear due to secondary flow acts in a direction opposite to the rotation of the disk or fluid for all cases of the motion. The rise in disk temperature produces an increment in the magnitude of the wall shear associated with the secondary flow.     

固体表面润湿性对滑块-盘接触润滑供油的影响

基于荧光技术，研究了固体表面润湿性对滑块-盘面接触供油的影响. 试验中以静止滑块和旋转玻璃盘构成摩擦副，润滑油围绕该面接触区构成一个供油油池. 结果表明:充分供油条件下，滑块表面的润湿性影响油池润滑剂的分布，但仍能保证接触区润滑剂的充分供给. 限量供油条件下，接触区外滑块表面润湿性影响了油池分布以及入口润滑剂的供给，低润湿性加剧接触区乏油程度，直接导致膜厚的降低. 润滑剂的高表面张力及在盘表面的低粘附都会改善润滑剂在润滑轨道上的回流；润滑剂在盘表面的反润湿现象导致了离散分布的微液滴，对润滑轨道上的回流和润滑油膜的形成起到了正面作用.      

点接触润滑粗糙表面滑动摩擦力的预测研究

在整个润滑区域内基于统一Reynolds方程的混合润滑模型,根据流变模型计算流体摩擦力,根据边界膜极限剪应力模型计算微突体接触摩擦力,二者相加得到混合润滑摩擦力.分析了粗糙度幅值和纹理对摩擦系数的影响以及非牛顿流变模型对流体摩擦系数的影响.模拟跨越整个润滑区,即弹流润滑、混合润滑和边界润滑,得到完整的Stribeck曲线.结果表明,表面越粗糙,混合润滑的摩擦系数越大,弹流润滑和边界润滑时粗糙度幅值影响很小.交叉斜纹的润滑效果优于横向纹理.不同极限剪应力流变模型计算的摩擦系数相差不大.     

渐开线直齿圆柱齿轮接触疲劳失效成因再分析

联合采用表面失效分析和有限元应力分析的方法,研究了渐开线直齿圆柱齿轮接触疲劳失效的成因.结果表明:由啮入线至第一次双对轮齿啮合结束部分齿面上密集的表面点蚀与该段啮合齿面相对滑移大,所消耗的摩擦功最大,摩擦应力大于第二次双齿啮合部分,而且最大剪应力更靠近齿面等因素有关.靠近节线的齿根齿面上的片状大块剥落属次表面点蚀,是由于该部位的次表面剪应力最大,位置最深,并且承受了前一对轮齿脱离啮合带来的冲击作用.紧邻啮入线附近齿面的较浅的剥落点蚀是由于承受啮入冲击,最大剪应力较大且出现位置较浅,齿面相对滑移最大所造成的,并与该处的表面点蚀坑有关.     

基于连续模型和离散模型的微尺度三维凸台轴承的气体润滑分析

为了考察应用图案化盘片实现超高密度磁存储时磁头/磁盘界面气体润滑设计理论的有效性,本文设计了1种三维凸台轴承构型,分别使用直接模拟蒙特卡罗方法（DSMC）和气体分子薄膜润滑理论（MGL）方法进行了模拟计算,考察了相对滑动速度、轴承最小间隙、凸台高度和入射速度方向对气体轴承压力分布的影响.结果表明：对于三维凸台微尺度气体轴承,MGL方法的计算结果依然与DSMC方法的结果相差不大.存在凸台接触,轴承间隙为零的情况下,气体轴承仍然具有一定的承载能力,且压力分布形状随凸台高度的变化表现出与常规非接触式气体轴承不同的规律.     

FRICTIONAL TEMPERATURE ANALYSIS OF TWO-DIMENSIONAL ELASTO-PLASTIC WHEEL-RAIL SLIDING CONTACT WITH TEMPERATURE-DEPENDENT MATERIAL PROPERTIES 1)

轮轨滑动接触温升的准确预测对于轮轨的磨耗和疲劳研究均具有重要意义. 目前的轮轨温升解析或半解析模型通常考虑Hertz弹性接触压力分布和单一材料属性的温度相关性, 与实际的轮轨传热状态尚有一定偏差, 因此在轮轨滑动温升计算模型中考虑接触压力的塑性修正和多种材料属性的温度相关性, 有望提高温升预测结果的准确性. 基于弹塑性接触理论, 同时考虑热导率、比热容和摩擦系数的温度相关性, 通过基尔霍夫变换方法以热导率温度相关性函数的积分作为待求量, 将复杂的非线性Fourier导热方程转化成含单个变系数的简单偏微分方程形式, 从而构建了一种不限制材料温度相关性函数形式的统一隐式差分求解格式, 分别讨论了对流换热系数、法向载荷、蠕滑率以及行车速度对钢轨表面滑动温升的影响. 结果表明, 当列车高速行驶时, 对流换热系数对轮轨滑动温升的影响甚微; 蠕滑率和行车速度的增大, 均会引起摩擦功率的增大, 进而导致钢轨表面温度的升高; 钢轨表面滑动温升的峰值随法向载荷的增大而近似线性上升. 此外, 在轮轨滑动温升计算模型中考虑材料属性的温度相关性可有效避免对滑动温升的过分高估, 且摩擦系数的温度相关性对温升的影响要显著强于热导率和比热容.     

考虑材料温度相关性的二维轮轨弹塑性滑动接触温升分析

轮轨滑动接触温升的准确预测对于轮轨的磨耗和疲劳研究均具有重要意义. 目前的轮轨温升解析或半解析模型通常考虑Hertz弹性接触压力分布和单一材料属性的温度相关性, 与实际的轮轨传热状态尚有一定偏差, 因此在轮轨滑动温升计算模型中考虑接触压力的塑性修正和多种材料属性的温度相关性, 有望提高温升预测结果的准确性. 基于弹塑性接触理论, 同时考虑热导率、比热容和摩擦系数的温度相关性, 通过基尔霍夫变换方法以热导率温度相关性函数的积分作为待求量, 将复杂的非线性Fourier导热方程转化成含单个变系数的简单偏微分方程形式, 从而构建了一种不限制材料温度相关性函数形式的统一隐式差分求解格式, 分别讨论了对流换热系数、法向载荷、蠕滑率以及行车速度对钢轨表面滑动温升的影响. 结果表明, 当列车高速行驶时, 对流换热系数对轮轨滑动温升的影响甚微; 蠕滑率和行车速度的增大, 均会引起摩擦功率的增大, 进而导致钢轨表面温度的升高; 钢轨表面滑动温升的峰值随法向载荷的增大而近似线性上升. 此外, 在轮轨滑动温升计算模型中考虑材料属性的温度相关性可有效避免对滑动温升的过分高估, 且摩擦系数的温度相关性对温升的影响要显著强于热导率和比热容.      

盾构滚刀刀圈材料的冲滑复合磨损性能研究

盾构滚刀的磨损极大影响了隧道工程的掘进效率,滚刀主要发生冲击-滑动(冲滑)复合磨损,而刀盘与地层之间的相对刚度对滚刀的磨损行为存在显著影响,因此本文中在自主研制冲滑复合摩擦磨损试验机上对滚刀刀圈材料H13钢进行不同结构刚度下的磨损试验,并采用光学显微镜、扫描电镜和白光干涉仪等微观分析设备对不同结构刚度下H13钢的冲滑复合磨损特性和机理进行了分析和揭示. 结果表明:随着结构刚度的增大,压载荷作用时间增长并逐渐起主导作用,摩擦副在滑动区接触时间增长,H13钢损伤最严重区域有沿着冲滑方向移动的趋势,相应地,磨损机制由磨粒磨损变为磨粒磨损与黏着磨损混合形式. 在本研究中再现了盾构滚刀冲滑复合磨损的界面微观工作状态,深入探究了滚刀刀圈材料的微观磨损机理,可辅助了解滚刀与不同软硬程度地层间的相互作用,并为滚刀刀圈材料的磨损性能评价提供了新的研究方法和手段.