颤振环境MoS2/Ag薄膜碰撞滑动接触摩擦性能研究

基于空间机构的运动特性,考虑空间颤振环境的影响,采用粗粒化分子动力学研究MoS₂/Ag薄膜的碰撞滑动接触摩擦性能,建立颤振环境碰撞滑动接触摩擦的粗粒化分子动力学模型,对比了纯Ag和MoS₂/Ag薄膜的摩擦性能,研究了初始碰撞速度、滑动速度以及空间温度对碰撞滑动接触摩擦过程的影响.结果表明：与纯Ag相比,MoS₂/Ag薄膜表现出更优异的摩擦性能;压头碰撞速度对动能有一定的贡献,初始碰撞速度的增加会增大压头压入基体的深度,使得平均摩擦力增大;滑动速度的增加会加剧原子间的相互剪切摩擦,使平均摩擦力增加;MoS₂/Ag薄膜在100～500 K温度范围内表现出良好的摩擦性能,当空间温度为600 K时,其摩擦性能降低,并伴随着MoS₂膜的破裂.     

水力振荡器振动特性对减阻规律的影响研究

为了掌握水力振荡器振动特性对减阻规律的影响,基于Lu Gre摩擦理论,建立了钻柱与井壁岩石间摩擦力的计算模型,得到了水力振荡器的单因素振动特性对钻柱与井壁间摩擦力的影响规律;利用正交试验,分析水力振荡器振动强度、振幅、振动频率综合作用下对钻柱与井壁岩石间摩擦力的影响。研究结果表明:提高水力振荡器振动强度、振幅、振动频率均能降低钻柱与井壁岩石间摩擦力,其中摩擦力随振动频率的增大呈现先增强后减弱趋势,在振动频率大于20Hz时,各振动强度对应的减阻效率有下降趋势,最佳振荡频率为22Hz;水力振荡器各振动特性对钻柱与井壁岩石间摩擦力影响显著性由大到小,依次为振动强度、振幅、振动频率。     

微液滴在PDMS软基体表面的动态摩擦行为研究

通过固液界面摩擦力测试装置研究了微液滴在PDMS软基体表面运动时的动态摩擦学行为,并对微液滴体积、滑动速度及软基体力学性能对固液界面动态摩擦行为的影响进行了分析. 结果表明:微液滴在软基体表面运动时表现出最大静摩擦力和动态摩擦力. 最大静摩擦力与微液滴黏度和速度梯度呈正比,动态摩擦力与微液滴体积、滑动速度和基体力学性能有关. 随着微液滴体积的增加,三相接触线长度增加,动态摩擦力增加;随着相对滑动速度增加,三相接触线长度及接触角滞后增加,动态摩擦力增加;随着软基体弹性模量降低,固液界面黏附力增加,固液界面运动能量耗散增加,动态摩擦力增加. 研究结果可为PDMS软基体表面微液滴的精确驱动和运动参数优化提供理论指导,也可进一步丰富固液界面摩擦理论.      

两种不同形状压头与单晶铜基体间接触力和摩擦力的纳观分析

在考虑单晶铜基体弹塑性形变和晶体各向异性情况下,基于原子尺度,采用混合势函数(EAM和Morse)和Verlet算法动态模拟了半球形和圆锥形两种不同形状压头与单晶铜基体的黏着接触和滑动摩擦过程,分析了接触力和摩擦力对单晶铜基体内失效原子变化情况.研究表明:当压头下压位移为0.9 nm时,由于半球形压头比圆锥形压头底部表面积大,导致半球形压头与基体之间的引力更大而更易产生黏着接触现象.在下压接触过程中,与半球形压头相接触的基体内出现位错原子长大成位错环,而与圆锥形压头相接触的基体未出现此位错环现象,但位错原子数均随压深的增加而增多;在滑动过程中,因半球形压头对基体的摩擦力和法向力比圆锥形压头对基体的摩擦力和法向力大,使得半球形压头比圆锥形压头正前方堆积的位错原子数多,但均随滑动距离的增加而增多.     

GCr15钢-CVDCr_7C_3镀层摩擦副摩擦振动的研究

本文系统地研究了GCr15钢球-CVDCr_7C_3镀层钢盘摩擦副滑动干摩擦引起的摩擦力(切向力)振动特性及其对材料摩擦磨损性能的影响。试件系统在垂直和水平方向上均处于低刚度、小阻尼状态。试验信号由微机采集、处理并进行频谱分析。结果表明,摩擦力振动的类型与正压力有关,而与拖动速度无关;摩擦力呈周期性自持振动时具有与相对滑动速度典型的非线性关系,振动频率接近(略低)于系统在切向的固有频率,而与拖动速度无关;摩擦力呈非平稳随机振动时,振动频率与系统在法向的振动频率有关,而与系统在切向的固有频率及拖动速度都无关;摩擦偶件运动的平稳性与摩擦力振动的类型有关,而与平均摩擦系数无关;摩擦力所耗费的能量与正压力呈比例关系。     

压电式微滴按需喷射的过程控制和规律

微滴喷射增材制造技术中沉积微滴的大小与均匀性是影响成型件质量的关键因素.本文设计了一种用于生成均匀微滴的压电驱动式微滴喷射装置,通过压电材料带动柔性膜片振动,将液体从喷嘴中喷出生成微滴,采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了不同控制参数下膜片振幅及其对生成微滴尺寸和均匀性的影响.研究结果表明:膜片振幅大小受到驱动电压和压电频率的共同影响,压电频率是导致膜片中心点振幅实验测量值小于理论计算值的主要原因,膜片振动会导致喷嘴内部压力发生变化从而影响微滴生成尺寸.在相同驱动电压条件下,压电频率为10 Hz时存在压电膜片振幅最大值.随着膜片振幅的增大,喷孔处液体速度和液柱长度增大到临界值时可以生成微滴,当喷孔处的液柱长度超过临界值时,会形成卫星液滴. 当膜片振幅区间在30 $\mu$m$\sim $42 $\mu $m可以稳定生成微滴,生成最小微滴尺寸为339.8$\mu$m,直径最大变化率为0.29%,相邻两微滴间距最大变化率为2.67%,生成微滴的尺寸及均匀性较好.研究结果有助于提高压电式微滴喷射装置的液滴生成质量.      

压电式微滴按需喷射的过程控制和规律

微滴喷射增材制造技术中沉积微滴的大小与均匀性是影响成型件质量的关键因素.本文设计了一种用于生成均匀微滴的压电驱动式微滴喷射装置,通过压电材料带动柔性膜片振动,将液体从喷嘴中喷出生成微滴,采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了不同控制参数下膜片振幅及其对生成微滴尺寸和均匀性的影响.研究结果表明:膜片振幅大小受到驱动电压和压电频率的共同影响,压电频率是导致膜片中心点振幅实验测量值小于理论计算值的主要原因,膜片振动会导致喷嘴内部压力发生变化从而影响微滴生成尺寸.在相同驱动电压条件下,压电频率为10 Hz时存在压电膜片振幅最大值.随着膜片振幅的增大,喷孔处液体速度和液柱长度增大到临界值时可以生成微滴,当喷孔处的液柱长度超过临界值时,会形成卫星液滴.当膜片振幅区间在30μm～42μm可以稳定生成微滴,生成最小微滴尺寸为339.8μm,直径最大变化率为0.29%,相邻两微滴间距最大变化率为2.67%,生成微滴的尺寸及均匀性较好.研究结果有助于提高压电式微滴喷射装置的液滴生成质量.     

弹性振动对翼型气动特性影响的数值模拟

通过求解雷诺平均非定常Navier-Stokes方程,采用数值模拟方法计算了俯仰和沉浮振动对NACA0012翼型平均气动特性的影响.结果表明:对于俯仰运动而言,在迎角13α≤时的升力°和力矩曲线的线性段部分,振幅角的变化对动态平均升力系数和动态平均力矩系数的影响不明显,与静态时的情况基本一致;当迎角14α≥时,翼型振动的平均升力系数和动态平均力矩系数小°于静态时的情况.同一迎角条件下的俯仰振动频率越高时,其动态的平均升力系数和动态平均力矩系数越大,频率较高时的失速迎角相对于频率较低时的情况有所推迟,但相对于静态的失速迎角而言,不同频率下的动态失速迎角均提前.对于沉浮运动而言,动态平均升力系数随振幅和频率的增加而减小,动态失速迎角随振幅和频率的增大而提前.     

振动辅助磁力研磨超硬精密Al2O3陶瓷管内表面试验研究

针对普通磁力研磨超硬精密Al2O3陶瓷管内表面加工效率低且纹理不均匀的问题,提出了一种振动辅助磁力研磨的技术.采用曲柄滑块振动机构和超声振动机构辅助磁力研磨,通过改变磁粒刷的运动轨迹,实现对陶瓷管内表面的高效精密加工.对比施加振动前后表面加工质量和加工效率的变化,利用单因素试验分析了振幅和振动频率对表面加工质量和加工效率的影响规律.试验结果表明:振动辅助磁力研磨技术实现了对超硬精密Al2O3陶瓷管内表面的高效精密加工,相比普通磁力研磨,经过50 min的加工,超声振动辅助磁力研磨效果最好,加工效率提高70%,表面粗糙度Ra由平均1.1μm降至0.03μm以下;采用高频率小振幅的振动更有利于加工效率和表面加工质量的同时提高.     

Inconel625镍基合金微动磨损性能研究

研究了3个主要摩擦磨损参数载荷、振幅和频率对Inconel625镍基合金在常温常压下摩擦磨损性能的影响,对摩擦系数和磨损程度进行计算和分析,对磨痕表面形貌进行了观察,并用EDS和XPS分析了磨痕表面的化学成份和相组成,探讨了损伤机理.结果表明:在3个特征参量中,频率对摩擦系数的影响最大,平均摩擦系数随载荷增大略有减小,随振幅增大略有增大,但随频率增大而显著增大;磨损程度随振幅、载荷的增大而加剧;在磨痕不同区域展现出不同的损伤机制:中心磨损区的主要损伤机制是黏着和剥层,滑动损伤区的主要损伤机制是磨粒磨损,而在边缘区则为基体和磨屑的挤压变形;磨痕氧化层的主要组成是铁的氧化物Fe2O3和Fe3O4或FeO,有少量铬和镍的氧化物NiO、Ni2O3和Cr2O3,存在基体元素镍单质.     

Adhesion in the contact of a spherical indenter with a layered elastic half-space

With the emergence of micro- and nano-technology, the contact mechanics of MEMS and NEMS devices and components is becoming more important. Thus it is important to gain a better understanding of the role of coatings and thin films on micro- and nano-scale contact phenomena, and to understand the interactions of measurement devices, such as an atomic force microscope (AFM), with layered media.More specifically, in this work the frictionless contact, with adhesion, between a spherical indenter and an elastic-layered medium is investigated. This configuration can be viewed as either a single contact model or as a building block of a multi-asperity rough surface contact model. As the scale decreases to the nano level, adhesion becomes an important issue. The presence of adhesion affects the relationships among the applied force, the penetration of the indenter, and the size of the contact area. This axisymmetric problem includes the effect of adhesion using a Maugis type of adhesion model. This model spans the range of the Tabor parameter between the JKR and DMT regions. The key parameters in this analysis are the elastic moduli ratio of the layer and the substrate, the dimensionless layer thickness, and the Maugis adhesion parameter. The results can be applied to a rigid or to an elastic indenter.     

激光织构化TiN薄膜的干摩擦性能研究

采用固体Nd:YAG激光器对离子镀TiN薄膜进行织构化处理,表征了薄膜的结构、形貌及凹坑织构参数.通过UMT-2往复式球-盘摩擦磨损试验机评价了织构化薄膜的摩擦磨损特性,研究了织构形貌对TiN薄膜干摩擦条件下摩擦磨损性能的影响.研究结果表明:与未织构化的TiN薄膜相比,织构化TiN薄膜的平均摩擦系数降低,并且磨损率明显减小,这说明织构化TiN薄膜具有更好的耐磨损性能.摩擦过程中,凹坑织构既捕获了磨屑,又有利于摩擦过程中阶跃运动的发生,易于将磨屑带出磨痕,从而降低了摩擦磨损.     

STUDY ON THE VIBRATION OF MICROCANTILEVERS IMMERSED IN FLUIDS UNDER PHOTOTHERMAL EXCITATION

微悬臂梁结构广泛应用于微纳电子机械系统. 在实际应用中,涂层和工作环境的变化对微悬臂梁结构动态工作模式有着不容忽视的影响. 运用流体中双层微悬臂梁的光热振动模型,研究了在激光光热驱动下,金涂层微悬臂梁在不同流体中的振动特性. 理论上得到了微悬臂梁的温度场,光热驱动力和振动变形场的解析表达式. 研究结果表明,流体环境对微悬臂梁的光热振动谱有显著的影响,主要表现在共振频率的偏移和品质因子的变化两个方面. 相比较于悬臂梁在真空中的响应,当悬臂梁在空气中振动时,共振频率向低频产生微小的漂移（0.7%）,共振峰未发生明显变化;然而,当悬臂梁在液体中振动的时候,共振频率向低频产生巨大的漂移（58%~80%）,而且品质因子发生量级上的减小,共振峰发生了畸变. 本研究对微纳探测以及原子力显微镜等仪器的设计优化,有着一定的理论指导意义.     

光热激励下微悬臂梁在流体中的振动研究

微悬臂梁结构广泛应用于微纳电子机械系统. 在实际应用中,涂层和工作环境的变化对微悬臂梁结构动态工作模式有着不容忽视的影响. 运用流体中双层微悬臂梁的光热振动模型,研究了在激光光热驱动下,金涂层微悬臂梁在不同流体中的振动特性. 理论上得到了微悬臂梁的温度场,光热驱动力和振动变形场的解析表达式. 研究结果表明,流体环境对微悬臂梁的光热振动谱有显著的影响,主要表现在共振频率的偏移和品质因子的变化两个方面. 相比较于悬臂梁在真空中的响应,当悬臂梁在空气中振动时,共振频率向低频产生微小的漂移（0.7%）,共振峰未发生明显变化;然而,当悬臂梁在液体中振动的时候,共振频率向低频产生巨大的漂移（58%~80%）,而且品质因子发生量级上的减小,共振峰发生了畸变. 本研究对微纳探测以及原子力显微镜等仪器的设计优化,有着一定的理论指导意义.      

On the Development of a Mesoscale Friction Tester

MEMS and NEMS devices typically have a large surface area to volume ratio. As a result, a major concern in the development of such devices is friction. Contact radii in MEMS and NEMS devices are expected to range from 10⁻⁸<a<10⁻⁵ m. This regime, which generally lies between the limits of single asperity and macroscopic contact, has yet to be explored because the apparati used to characterize friction at these limits do not operate in the range of forces appropriate to these length scales. A Mesoscale Friction Tester (MFT) with smooth probe tip radii from 50 nm to 50 μm and capable of applying forces ranging from 10 nN to l mN over contact radii from 10 nm to 10 μm has been developed to address this need. With carefully planned experiments, this device has the potential to help answer unresolved questions regarding friction mechanisms in the mesoscale range.     

时变接触特性表面对界面摩擦学行为的影响

通过在锻钢基材表面沟槽中分别填充灰铸铁HT300、Mn-Cu合金和Mn-Cu阻尼合金材料获得具有时变接触特性的表面,并对锻钢光滑表面试样和时变接触特性表面进行摩擦学试验,研究不同时变接触特性表面对界面摩擦学行为(摩擦噪声、摩擦振动以及磨损行为)的影响. 结果表明:填充HT300的时变接触特性表面缓解了界面磨损,有效延续摩擦系统的稳定状态,抑制摩擦振动和噪声的产生;相反,填充Mn-Cu合金和填充Mn-Cu阻尼合金的时变接触特性表面加剧了界面磨损,加速了摩擦系统不稳定状态的出现,进而激发出高强度的摩擦振动和噪声. 在本研究中,摩擦系统失稳引起摩擦振动和噪声主要归因于摩擦磨损过程中黏着撕裂和犁削等界面作用,填充材料的阻尼特性未能起到减振降噪的效果.