摩擦自激振动引起摩擦面波状磨耗的试验研究

在销-盘摩擦磨损试验机上进行金属干摩擦试验,研究摩擦自激振动对盘试件磨痕表面轮廓的影响,采用激光位移传感器测量盘试件摩擦表面轮廓尺寸,用加速度传感器测量销试件的摩擦自激振动.试验结果表明：在干摩擦状态下,销-盘系统容易发生持续的摩擦自激振动,当摩擦时间达到一定数值后,盘试件的磨痕表面轮廓会出现明显的波浪形磨耗,波浪形磨损机理主要是疲劳磨损.分析表明波浪形磨耗的波长近似等于摩擦自激振动的周期与滑动速度的乘积,由此推断摩擦自激振动引起了摩擦表面的波浪形磨耗.     

高速运动条件下玄武岩摩擦系数的实验研究

在MM－1000型摩擦磨损试验机上采用不同试验条件对玄武岩试件进行了高速摩擦试验研究,结果表明：摩擦表面载荷、运动速度以及摩擦速度以及摩擦表面特性等因素均对摩擦系数产生影响;摩擦系数随载荷的增大呈现减小趋势;对于饱和吸水试件,摩擦系数随运动速度增大持续降低;在其它试验条件下,饱和吸水试件的动摩擦系数比干燥试件明显要低。     

汽车发动机用窄型链的多冲磨损特性研究

为了提高国产机油泵链条的性能,满足发动机轻量化的个性需求,通过发动机总成试验,研究了一种窄型的汽车发动机机油泵链06BN-1的磨损机制,并对套筒和销轴的磨损表面进行微观分析.结果表明,汽车发动机机油泵链的主要磨损形式为疲劳磨损,销轴?套筒零件表面的裂纹生成?扩展与剥落是其主要磨损失效机制.销轴和套筒零件均发生循环软化,滚子零件发生循环硬化.微动磨损是汽车链＂散架＂失效的重要原因之一.保证滚子零件具有足够的强度与塑性,并采取合理的成形工艺,是提高滚子零件多冲抗力的有效方法     

玄武岩纤维缠绕成型管道的损伤及承载能力研究

玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced composite, BFRP)具有耐腐蚀性强、比强度高、环保等优点,正确评价BFRP管道性能的可靠性和承载能力是将其应用于高附加值的油气输送领域的基础。对于玄武岩纤维(basalt fiber, BF)缠绕成型的复合材料管道,首先在细观尺度上获得浸胶纤维束的强度。然后,沿着管道的轴向和环向分别截取试件,测量了两种试件的拉伸强度;基于试验结果和有限元模拟,研究了管壁结构层在拉伸、压缩以及剪切载荷作用下的损伤演化,得到结构层的宏观本构模型。最后,建立了BF缠绕成型管道的有限元模型,研究纤维性能离散对管道承载能力的影响。结果表明,纤维有效含量对管道承载能力的影响很大,从纤维生产和管道成型工艺等方面降低纤维增强作用的离散性对于准确预测管道的承载可靠性,推动BF复合材料在油气管道领域的应用至关重要。     

压缩条件下玄武岩柱尺寸效应及破裂机理数值模拟研究

为研究压缩条件下玄武岩柱强度和变形的尺寸效应，及其破裂机理和破坏模式，本研究构建不同尺寸的玄武岩柱图像，然后将细观损伤力学、统计强度理论、连续介质力学相结合，基于RFPA^3D-CT的数字图像处理，将玄武岩柱图像转化为有限元网格模型，并分别赋予节理、岩石的材料力学参数，其中，考虑节理及岩石的非均质。开展压缩条件下的玄武岩柱数值试验，分析侧压、垂直柱轴方向(Ⅰ/Ⅱ)对玄武岩柱的力学尺寸效应的影响，以及玄武岩柱破裂过程的应力场演化与损伤破裂特征。研究表明：对于垂直柱轴方向Ⅰ的情况，当侧压为0 MPa,试件抗压强度无明显的尺寸效应；当侧压为2 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为4 m;当侧压为4、6、8 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为6 m。对于垂直柱轴方向Ⅱ的情况，当侧压为0、2 MPa,试件抗压强度无明显的尺寸效应；当侧压为4 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为4 m;当侧压为6、8 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为6 m。当侧压为0～8 MPa,随着模型尺寸的增加，试件抗压强度的横观各向异性系数变化范围为0.75～1.15;试件等效变形模量的横...     

芳纶纤维织物摩擦磨损性能的研究

用ＭＭ－２００型摩擦磨损试验机考察了不同条件下芳纶纤维织物的摩擦学性能,并用扫描电子显微镜和Ｘ射线衍射仪对纤维织物的磨损表面、磨屑形貌及结晶性进行了观察和分析．结果表明：随着负荷的增大,织物的摩擦系数略有降低,磨损呈上升趋势;速度对织物的摩擦学性能影响不大;纤维束的挤压变形和磨屑的填充作用导致磨损表面被压实并变得光滑,从而使真实接触面积增大,摩擦条件改善．２５０℃处理后织物中的纤维强度降低,因而磨损增大．     

玄武岩纤维高延性水泥基复合材料的动态力学性能

利用玄武岩纤维和水泥基材料，通过一定配比融合制成了在静态拉伸试验中呈现多缝开裂、应变硬化、极限拉伸应变0.5%以上的玄武岩纤维高延性水泥基复合材料(basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs)。用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对不同玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料进行动态压缩和动态劈裂试验。结果表明:(1)在压、拉两种应力状态下,玄武岩纤维对水泥基复合材料的静态强度、动态强度均有增强，且高应变率下玄武岩纤维对抗压强度动态增幅较小，对劈裂强度动态增幅较大；(2) BF-ECC的抗压强度和劈裂强度均随应变率升高而显著提高，两者均可以采用动态增强因子(dynamic increase factor, DIF)反映动态强度的增幅，但劈裂强度的应变率敏感性强于抗压强度；(3)依据试验得到的普通水泥混凝土速率敏感性的CEB-FIP方程(2010)不适用于BF-ECCs。     

雨水环境下PTFE/Kevlar编织材料摩擦学性能研究

针对川西平原地区实际降雨环境，开展了PTFE/Kevlar航空器关节轴承衬垫材料往复磨损试验，通过分析摩擦系数、磨痕损伤形貌以及磨损表面化学成分的演变规律，探究了雨水环境下PTFE/Kevlar编织材料的摩擦磨损特性.结果表明：雨水环境下PTFE/Kevlar轴承衬垫材料磨损损伤行为表现为PTFE纤维变形、破碎、转移以及Kevlar纤维变形和疲劳断裂.雨水环境下PTFE/Kevlar轴承衬垫材料的磨损过程可分为3个阶段：前期(N<1000)、中期(1000≤N<5000)和后期(N≥5000)，分别是PTFE逐渐转移阶段、PTFE转移膜形成阶段以及转移膜破坏阶段.从磨损前期到中期，摩擦系数减小，最大磨痕宽度和最大磨痕深度增加，磨痕区域F元素含量增加、C元素含量减少；从磨损中期到后期，摩擦系数增加并波动，最大磨痕宽度和最大磨痕深度持续增加，磨痕区域F元素含量减小、C元素含量增加.结果表明雨水环境会促使转移膜快速剥落和破坏，因此，应尽量避免自润滑PTFE/Kevlar衬垫型关节轴承长时间在阴雨天气下使用.     

钢球检测用展开轮表面微结构增摩降磨特性分析

针对钢球缺陷检测过程中,镜面钢球打滑引起的滑动摩擦导致展开轮磨损这一问题,以实现展开轮增摩降磨为目标,提出将微结构应用于钢球展开轮表面的方法.首先,应用激光微造型技术在T10A试件表面加工不同特征参数凹坑微结构,采用单因素法在MMW-1立式万能磨擦试验机上进行点接触干滑动摩擦试验;在综合考虑局部激光硬化和几何参数对磨损性能影响的基础上,结合试验数据建立基于Archard理论的微结构磨损模型;最后通过仿真技术及磨损试验验证磨损模型的正确性,进而对微结构特征参数进行优选.结果表明:在点接触干滑动摩擦工况下,提出的三种微结构表面均可以实现增摩降磨;建立的磨损模型能准确地计算磨损系数用以分析实际工况的磨损特性;优选了凹坑面积在S_2~S_4范围内的菱形微结构.提出的方法为钢球表面缺陷检测设备提供了技术支持,所建的磨损模型为干摩擦状态下凹坑微结构表面磨损程度的预测提供了理论参考.     

钢纤维混凝土层裂强度的实验研究

钢纤维能显著提高混凝土抵抗层裂破坏的能力,但纤维含量、长细比和形状对高应变率下钢纤维混凝土层裂强度的影响仍缺少系统研究.本文利用大直径Hopkinson杆对混凝土细长杆件进行冲击加载,通过放置在试件后方的空心铝合金杆上应变波形确定试件的层裂强度,系统研究了钢纤维含量、长细比和形状对钢纤维混凝土层裂强度的影响.实验结果表明钢纤维混凝土层裂强度具有应变率效应,即应变率越高层裂强度越高.钢纤维对混凝土层裂强度的增加与纤维影响系数α、纤维长细比和纤维含量三者之乘积具有线性关系.动态加载条件下的系数α高于静态,其原因主要是动态加载时纤维快速从基体拔出时动态剪应力增加.波浪形纤维混凝土的系数α比扁头型纤维高.根据实验结果建立了钢纤维混凝土层裂强度经验公式,公式预测结果能与实验结果较好吻合.     

横观各向同性轴对称界面端奇异性研究

套筒模型是复合材料中常用的进行纤维、基体间应力传递分析的轴对称模型.在套筒模型中,中心为纤维,纤维外包裹的"套筒"有假设为各向同性基体材料的,也有假设为横观各向同性复合材料的.不失一般性,本文将纤维和基体均视作横观各向同性材料,建立了任意楔形角的横观各向同性复合材料基体包裹横观各向同性纤维的轴对称模型,采用两次坐标变换、逐次渐近等求解方法,得到了求解该模型界面端应力奇异性指数的特征方程.考虑常见的碳纤维/环氧树脂复合材料制成的压入和拔出试件,根据得到的特征方程计算了两种试件的界面端奇异性指数随碳纤维体积百分含量的变化情况,结果发现,随纤维体积百分含量的增加,两种试件界端的奇异性均呈减弱趋势.     

20CrNiMo钢在冲击滑动耦合作用下的磨损特性研究

采用L16(45)四水平正交表设计试验,利用自行研制的冲击滑动磨损试验装置研究20CrNiMo钢在冲击滑动耦合作用下的磨损特性,运用极差分析及多元线性回归处理试验数据,得到20CrNiMo钢在冲击滑动耦合作用下的平均磨损质量损失与各试验因素(冲击频率、冲击力和滑动速度)的回归方程,并通过扫描电子显微镜观察分析磨痕表面形貌.结果表明:试验因素对20CrNiMo钢平均磨损量的影响程度由大到小依次为冲击力冲击频率滑动速度;平均磨损质量损失随冲击力和冲击频率的增加而增大;20CrNiMo钢在冲击滑动耦合作用下的磨痕表面呈现片状剥落迹象,随着冲击力及冲击频率的增加,片状剥落趋向严重;磨损表层组织在冲击滑动耦合作用下发生较严重的塑性变形而从磨痕边缘挤出、剥落,导致材料流失.20CrNiMo钢在冲击滑动耦合作用下的磨损机制为剥层磨损.     

考虑空化影响的水润滑橡胶合金轴承冲蚀磨损研究

用计算流体力学方法,数值模拟水润滑轴承空化-冲蚀交互作用时气液固三相流场的动力学特性(压力场、速度场、气含率分布),然后在水润滑轴承摩擦磨损装置上,进行试件磨损试验,并观察试件表面形貌.结果表明:考虑空化影响后,水润滑轴承整个流场压力分布更接近实际;数值模拟所得的流场压力、速度、气含率最大值,均出现在发生空化的位置附近,其余位置基本不变,说明交互磨损比单一磨损严重.观察试件表面磨痕,存在短程犁沟、空蚀针孔、麻点状气蚀坑和蚀坑,磨痕呈现规律性,磨痕与轴转速的方向基本一致.试验结果和数值计算吻合较好,证明了理论分析的正确与合理.上述仿真与试验初步探讨了水润滑轴承空化与冲蚀交互作用的磨损机理与影响因素.     

基于内聚力模型的高速水流聚脲基涂层剥离破坏模型研究

冲磨和空蚀破坏是水利水电设施最为常见的病害之一,严重影响水利水电设施的安全运行和效益发挥. 泄洪建筑物通常喷涂聚脲基涂层来提高抗冲耐磨性能,但在泄洪高速水流速度作用下抗冲磨聚脲基涂层的剥离破坏机理的研究尚属空白. 本文基于高速水流的流态形式,提出了高速水流对泄洪建筑物的力学作用模型,水流作用对泄洪建筑物的载荷主要包括拖曳力、冲击力、脉动力和上浮力;采用内聚力模型表征聚脲基涂层与泄洪建筑物防护体界面的剥离破坏过程,建立了高速水流聚脲涂层的剥离破坏模型, 给出了模型的有限元形式方程、本构关系以及损伤起始原则、演化原则和接触碰撞模型. 通过聚脲涂层与混凝土基底的剥离破坏试验,分析了不同剥离倾角下界面剥离破坏的拉应力与倾角之间的变化规律,得到了聚脲涂层剥离破坏过程中应力-$\!$-位移变化关系. 根据剥离破坏试验计算了界面剥离破坏断裂模型参数,采用数值方法对模型进行了验证,试验结果与模型计算结果吻合良好,为泄洪建筑物的抗冲耐磨设计提供理论依据.      

低能量导爆索水下爆炸冲击波特性实验研究

为了获得低能量导爆索水下爆炸冲击波特性,在水下爆炸试验容器中对复合铝纤维爆炸索进行水下爆炸实验。采用PCB压电型传感器测量水中爆炸冲击波压力脉冲,获得了复合铝纤维爆炸索冲击波压力峰值,计算了其冲击波比能和高压区冲击波比能。研究结果表明:复合铝纤维爆炸索冲击波能量的输出主要集中在特征时间内的高压区,占到冲击波比能的84%。通过复合铝纤维爆炸索水下爆炸冲击波特性的研究,为其下一步的推广应用奠定了基础。     

方钢管混凝土框架抗震性能及P-Δ效应研究

为了对方钢管混凝土框架的抗震性能及P-Δ效应进行研究,设计制作了1榀方钢管混凝土框架进行低周反复加载试验。研究表明:方钢管混凝土框架试件的滞回曲线呈饱满的梭形,破坏时的等效黏滞阻尼系数为0.2241,表明该框架结构具有良好的抗震耗能性能;试件在正负向的平均位移延性系数为2.94,表现出了较好的延性性能;破坏时的平均位移转角为1/36,表现出了较强的抗倒塌能力;随着加载位移的增加,试件的残余变形及等效黏滞阻尼系数均会逐渐增大,而强度衰减幅度总体上呈现出先增大后减小的变化趋势,刚度退化速率呈现出先快后慢的变化趋势。最后基于试验数据,对P-Δ效应的影响进行了分析,提出了相关建议。上述结果可为相关的工程应用及理论分析提供参考。     

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.      

人工膝关节不同体外磨损周期的UHMWPE磨屑特征及细胞毒性研究

磨屑引起的假体无菌性松动已成为影响人工关节寿命的主要因素.基于UHMWPE (超高分子量聚乙烯)胫骨衬垫与CoCrMo合金股骨髁配副人工膝关节，按照ISO 14243标准完成了500万次体外磨损试验，获得了每间隔100万次磨损周期的磨损润滑液，利用酸处理法分离UHMWPE磨屑，并基于扫描电子显微镜(SEM)照片开展了磨屑数量、形状和分布特征的定量表征.结果表明：在形状方面，颗粒状磨屑数量占比可达62%，其次为占比12%的球状磨屑，片状、纤维状和杆状等类型磨屑则较少.磨损过程中纳米级磨屑数量占比始终在30%以上，且随着磨损周期增加，纳米级磨屑占比逐渐增加，最高可达80%以上，但总的磨屑数量呈先增多后减少趋势.此外，探究了不同尺寸和浓度的UHMWPE磨屑对小鼠成纤维细胞毒性的影响，结果表明：纳米级磨屑细胞毒性最强，随着磨屑尺寸从5μm增至25μm，细胞毒性逐渐减小.在UHMWPE磨屑浓度为0.1～2.5 mg/mL的范围内，细胞毒性基本遵循磨屑浓度越大毒性越强的规律.因此，人工膝关节不同体外磨损周期的UHMWPE磨屑具有不同数量、尺寸、形状和分布等特征，且磨屑尺寸和磨屑浓度等特性对细胞毒性...     

高速电弧喷涂Fe-Al／WC复合涂层的摩擦学特性

利用高速电弧喷涂技术制备了Fe-Al涂层和Fe-Al／WC复合涂层，在T-11型摩擦磨损试验机上对比研究了2种涂层同GCrl5钢球配副时的滑动摩擦磨损特性，并探讨了涂层的摩擦磨损机理．结果表明：可以将Fe-Al／WC复合涂层的摩擦磨损过程划分为3个阶段，随着滑动距离的增加，摩擦系数先迅速升高，之后缓慢降低直至平稳阶段；由于Fe-Al／WC复合涂层的平均硬度较高，且涂层中的硬质颗粒能有效地阻止裂纹的扩展，故其耐磨性明显优于Fe-Al涂层；随着滑动速度增加，裂纹的扩展速率加快，并产生较厚磨屑，从而使涂层的摩擦系数和磨损率均显著增大；在摩擦磨损过程中涂层表层受到拉应力与压应力的交替作用，Fe-Al／WC涂层的主要磨损机制为剥层磨损．     

激光表面织构对不同材料干摩擦特性的影响

采用环-块线接触摩擦磨损试验,研究了经激光处理后不同织构面密度的45钢和12Cr凹坑形织构试件的干摩擦磨损特性.借助高精度天平分析了试件磨损量,采用三维形貌仪和扫描电镜对试件表面形貌进行了分析.研究结果表明:激光表面织构化使得45钢试件表面形成可以改善摩擦性能的高硬度质点;在相同试验条件下,与无织构试件相比,45钢织构环试件磨损量明显降低,而12Cr织构环试件磨损量却有所升高;织构试件的磨损量在一定范围内随着织构面密度的增加而降低;激光织构化对摩擦系数的稳定值影响不大.