表面纹理磁盘滑动接触的温度和应力及退磁临界条件的研究

采用应力场和温度场耦合的有限元方法,计算磁头/磁盘滑动接触下铝基磁盘磁层内瞬态温度场和应力场及退磁临界条件,分析接触压力、滑动速度、摩擦系数以及磁盘表面纹理对磁层内最大摩擦温升值和最大应力值的影响.结果表明:波形纹理表面瞬间滑动接触所产生的温度分布呈波形特征,表面纹理越尖锐,磁层内的温度和应力越大;滑动速度对磁层内温度的影响大于对应力的影响;当磁层最大应力小于1.2 GPa时,所对应的速度和压力为安全工况;当温升大于180 K时所对应的工况将导致磁盘退磁.     

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.     

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.     

热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一. 边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用. 本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为. 首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解. 其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数. 最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子. 探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律. 结果表明:热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.      

热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一.边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用.本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为.首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解.其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数.最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子.探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律.结果表明:热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.     

热对流条件下考虑球形夹杂分布的材料热弹接触摩擦热影响分析

机械传动关键活动零部件接触副往往受到力载荷和摩擦热载荷的耦合作用,使得接触界面间的接触力学行为的分析变得极其复杂. 利用基于等效夹杂方法建立的考虑热对流非均质材料热弹接触力学分析模型研究不同摩擦系数、夹杂位置和材料属性等参数对材料表面及内部温升及热应力分布影响规律. 此外,进一步分析了接触副材料中含分布球形夹杂时摩擦热造成的影响. 结果表明:接触副表面温升梯度受热对流系数的影响较大;下表面温升和热应力随摩擦系数增大而增大;分布夹杂则将接触副材料下表面温升及热应力分布变得更为复杂.      

高速列车制动盘温度场的建模及分析

高速列车在制动过程中,制动盘在制动块的摩擦力作用下温度急剧升高,从而产生了热应力。过高的热应力往往会引起制动盘的疲劳破损,因此在设计制动盘时考虑温度场的影响非常重要。对速度为300km/h的列车在紧急制动工况下的制动盘,建立了含有局部内热源的数学模型和瞬态热传导方程。采用微分求积法,对热传导方程中的温度函数进行关于空间坐标的离散,得到了离散节点上仅含时间自变量的温度函数表示的一阶常微分方程组,然后采用龙格-库塔法求解。最后,对Mechanite Cast Iron G.C.40、AISI301、Chromium Copper Casting三种材料制造的制动盘进行分析和计算,得到了制动过程中温度随时间和沿轮轴半径的变化情况。结果表明:导热好的材料的温度沿径向分布的均匀程度好;制动过程中有动压力作用时,导热好的材料在有效摩擦区域沿径向的温度场与热流的分布规律基本一致,并逐渐趋向于稳态值。     

对数滚子的热弹流凸度量设计研究

基于最佳凸度量取值区间的概念,针对性能最优的对数轮廓滚子,提出了根据热弹流理论进行凸度设计的方法.使用该设计方法研究了对数滚子凸度量修正系数随工况参数的变化规律.定义了轴向膜厚分布系数和轴向压力分布系数,通过限制二者许用值的方法确保压力分布和膜厚分布的轴向均匀性,而轴向膜厚分布系数和轴向压力分布系数的许用值分别与最佳凸度量取值区间的下限和上限相对应.研究指出:轻载时凸度量修正系数的下限随载荷的增加而增加;重载时凸度量修正系数的下限随载荷的增加而趋于稳定,凸度量修正系数的上限随载荷的增加而增大;速度参数对最佳凸度量取值区间的影响不显著.     

热环境中黏弹性功能梯度材料及其结构的蠕变

基于经典的对应原理, 将 Mori-Tanaka 方法等细观力学结果推广于定常温度环境下的黏弹性情形. 根据泊松比与时间呈弱相关的特点, 给出 Laplace 象空间中功能梯度材料的松弛模量和热膨胀系数, 并直接建立耦合热应变的多维黏弹性本构关系. 在此基础上, 求解黏弹性功能梯度圆柱薄壳在热环境中的轴对称弯曲蠕变变形问题. 考虑材料热物参数的温度相关性, 首先确定稳态温度场, 导出相空间中轴对称弯曲变形的解析解, 采用数值反演得到蠕变变形. 算例表明, 蠕变初期, 热环境的影响明显, 随着时间增加, 热应力松弛, 影响逐渐消失. 当圆柱薄壳受轴压时, 相比于两端固支, 两端简支的端部变形更加明显. 通过圆柱薄壳的轴对称弯曲求解, 给出体积含量呈任意分布的黏弹性功能梯度结构在热机载荷下的蠕变分析途径.      

力-热载荷下双金属复合管的屈曲失效研究

采用有限元方法研究了力-热载荷下双金属复合管的屈曲失效行为,通过三维有限元建模考虑了双金属复合管的准静态复合成型制造过程中产生的残余应力,分析了温度及内压两个主要参数对双金属复合管屈曲失效的影响。结果表明,高温导致材料发生软化,抑制了双金属复合管的屈曲;弯矩、内压及热载荷联合作用下,复合管内介质温度降低,复合管弯矩达到最大值对应的曲率减小,而弯曲承载能力增大,外基管的椭圆率也增大;内压变化对复合管的弯曲承载能力和外基管的椭圆率影响较小。     

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.      

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     

滚滑工况弹流反常温度场的研究

研究了弹流反常温度场的形成机理及影响因素，指出入口温升是压缩功发热和逆流剪切热所致，而出口局部低温是负压缩功吸热的结果，出口温度的再次微幅上升则是压缩功消失后剪切热作用的结果．研究结果表明，入口温升随载荷的增加而增大，随卷吸速度的增加显著升高而几乎与滑滚比无关；在高速小滑滚比工况下，接触区的最高温度有可能出现在入口位置；入口温升增加了材料在工作中经受高温的次数，对其接触疲劳寿命有不利影响；在保证润滑性能的前提下，适当减少供油量可以减小逆流，从而降低入口温升。     

Thermoelastic instability of functionally graded materials with interaction of frictional heat and contact resistance

Both of the frictional heat and thermal contact resistance have a grave responsibility for the localized high temperature (hot spots) at the contact region, which is known as one of the most dangerous appearances in the brakes systems. In this paper, we study the thermoelastic instability (TEI) of a functionally graded material (FGM) half-plane sliding against a homogeneous half-plane at the in-plane direction. The interaction of the frictional heat and thermal contact resistance is taken into account in the TEI analysis. The material properties of the FGM half-plane are supposed to follow the exponential function along the thickness direction. The coupled TEI problem of FGMs is solved by using the perturbation method. The frictionally excited TEI of FGMs is also considered by neglecting the effect of the thermal contact resistance. The results show that the thermal contact resistance, sliding speed and gradient index have significant influence on the TEI. It is found that the variation of the gradient index of FGMs can increase the critical sliding speed and critical heat flux, and therefore improve the TEI of the sliding system.