纳米尺度下烷烃润滑薄膜分层现象和速度滑移机制的分子模拟研究

采用非平衡分子动力学模拟方法,研究了纳米尺度下十六烷润滑薄膜的分层现象和速度滑移现象,重点考察了剪切速度对速度滑移现象的影响规律,并对其中的微观机理作出了解释.研究结果表明:在铁壁面的限制情况下润滑薄膜出现了分层现象,当润滑薄膜厚度超过50?时,其中间区域呈现出体相均质流体的特征.润滑薄膜层间滑移和界面滑移的临界剪切速度分别为5.5和7.5?/ps,随着剪切速度增加,界面滑移程度增强,而层间滑移程度减弱.润滑薄膜第1和2层十六烷分子层间桥接分子数目决定层间滑移程度,随着剪切速度增加,桥接分子数目也相应增多,层间滑移程度随之减弱.     

固液润湿性对流体动压润滑薄膜的影响

利用自行开发的微型面接触润滑油膜测量系统,研究了固液润湿性对流体动压润滑油膜厚度的影响.试验中以静止的微型滑块平面和旋转的光学透明圆盘平面形成润滑副.固液的润湿性通过接触角判定,不同材料的微滑块平面和润滑液体形成不同的界面.在保持载荷和面接触楔形角不变的条件下对油膜厚度-速度关系进行了测量.结果表明:对于固液润湿性强的界面,形成的油膜厚度与经典润滑理论有较好的一致性;当固液润湿性明显降低时,测量得到的油膜厚度减小.对于试验中观察到的界面效应,应用界面滑移理论进行了初步分析.     

基于分子动力学-格林函数法的分形粗糙表面摩擦行为研究

任何物体间的表面摩擦均可看成是粗糙面间的摩擦,且大部分粗糙表面具有分形特征.为探究分形粗糙表面的摩擦行为,利用分子动力学-格林函数法(GFMD)建立微观分形粗糙表面模型,采用位移加载控制分形粗糙表面的接触和摩擦过程,并根据广度优先搜索算法识别接触团簇分布.之后分别计算原子尺度、接触团簇尺度和界面尺度下的最大摩擦系数与摩擦力,并利用影响矩阵法研究摩擦过程中接触团簇之间的相互作用,分析接触团簇之间的距离和面积对相互作用的影响.结果表明:在摩擦过程中,摩擦系数从小尺度到大尺度逐渐减小;摩擦力随位移呈现周期性波动,接触团簇并非同时达到最大摩擦力,而是发生局部滑移,整体滑移模型预测的摩擦力是分子模拟结果的上限值;所提出的影响矩阵法可以较好地模拟接触团簇之间的相互作用,利用影响矩阵计算得到的最大摩擦力与GFMD模型结果基本一致,而不考虑局部滑移影响计算得到的最大摩擦力比GFMD模型结果大20%,并且接触团簇之间的相互作用与距离成反比,与面积成正比.结果可为粗糙表面的界面分析和优化提供理论依据.     

介观双粗糙弹塑性流体动力润滑界面法向接触刚度模型

弹性流体动力润滑状态通常出现在机械高副零部件的点/线接触部位,如齿轮、轴承和蜗轮蜗杆等.宏观上点/线接触在介观层面表现为两粗糙表面的接触,在微观层面上则又表现为微凸体间的接触.由于在中/重载荷作用下,粗糙表面上的微凸体发生接触后会产生弹塑性/塑性变形,从而使得两粗糙表面的弹流润滑接触转变为弹塑性流体动力润滑接触.此外,界面的接触刚度决定了机械装备的整机刚度.为了精确获得弹性流体动力润滑状态下界面法向接触刚度及其主要影响因素,基于界面的法向接触刚度由固体接触刚度和润滑油膜刚度两部分构成的思想,根据固体弹塑性理论和流体动力学理论,分别对界面间微凸体侧接触及部分膜流体动力润滑进行分析,从微观入手揭示双粗糙表面弹塑性流体动力润滑接触机理,进而建立考虑微凸体侧接触弹塑性变形的流体动力润滑界面法向接触刚度模型.通过仿真分析,揭示了法向载荷、卷吸速度、表面粗糙度及润滑介质特性等因素对润滑界面法向接触刚度的影响规律.研究表明：在相同速度、粗糙度及润滑油黏度的工况下,固体接触刚度和油膜接触刚度均随着法向接触载荷的增加呈非线性增大;在相同载荷、速度及润滑油黏度的工况下,接触表面粗糙度越大,表面形貌对于润滑...     

表面特性对纯滑弹流油膜形状和摩擦力的影响的试验研究

针对界面滑移效应可能产生较低的摩擦力,采用具有不同表面浸润性的玻璃盘,进行了纯滑弹流润滑试验.在采用SiO2镀膜玻璃盘的球-盘接触高聚物纯滑润滑试验中,从弹流到动压润滑的摩擦系数曲线呈现不同于传统Stribeck曲线的两个拐点.两个拐点分别与凹陷出现及弹性变形消失相关联.在较低载荷下,不同盘表面产生相近的干涉图像和摩擦系数曲线,高聚物的非牛顿效应产生的表观滑移可能是入口凹陷及非典型摩擦系数曲线的主因;在较高载荷下,盘滑试验中铬盘产生的摩擦系数和油膜厚度均较SiO2盘低,具有较低表面能的铬盘产生的界面滑移被认为是产生较低摩擦系数的主因.     

脂润滑对100C6钢微动磨损特性的影响

探讨了在不同振幅及载荷作用下脂润滑对１００Ｃ６钢微动磨损特性的影响,研究表明,脂润滑可缓解微动接触表面的损伤,滑移区域中润滑脂减摩效果优于部分滑移区和混合区,润滑脂在接触界面之间很难保持有效润滑;在稳定的脂润滑上微动区域的划分变化不大。     

自旋对界面滑移弹流油膜的影响

应用旋滑式光干涉弹流薄膜测量系统研究了自旋对界面滑移条件下玻璃盘-钢球形成的反常弹流油膜的影响,通过弹流接触副与玻璃盘旋转中心距离的调节,在弹流润滑中实现不同程度的自旋,即引入不同的旋滑比.结果表明,随着旋滑比的增加,油膜整体厚度减小,油膜形状呈现明显的非对称性,人口凹陷的深度有所减小;最小油膜厚度的速度指数随旋滑比的增加而增加;固定偏心距,随着载荷的增加,最小膜厚先增加后减小,油膜形状的非对称性增强.对上述观察到的试验现象,也进行了相应的理论解释,认为自旋引起的卷吸速度变化及气穴区的不对称是主要诱因.     

磨合过程中液体润滑实现超低摩擦的混合模型研究

针对球-盘滑动试验,在磨合过程中获得超低摩擦的液体润滑状态,建立耦合流体润滑、粗糙接触力学、Archard磨损方程和相关物理参数(液体黏度、表面粗糙度和磨损系数)时变函数的混合模型,研究磨合过程中液体润滑的摩擦系数演化.通过数值模拟结果可知：在磨合过程中,润滑介质等效黏度增大,形成流体动压润滑薄膜,有效隔开粗糙表面;其次在磨合过程中,新生成的表面粗糙度降低,减少粗糙峰承载比,实现超低摩擦润滑状态;最后在适当的液体黏度和提高表界面效应减少边界摩擦系数,可进一步实现液体超低摩擦润滑状态.为磨合过程宏观液体润滑性能演化所建立的混合数值模型对提高液体润滑超低摩擦设计效率具有重要价值意义.     

机械密封补偿机构中辅助O形密封圈的性能分析

采用有限单元法建立了机械密封O形辅助密封圈的数值分析模型.利用非线性有限元软件MSC.MARC计算了VonMises应力和接触密封界面之间的接触应力.采用高频疲劳试验机和高压水润滑O形密封圈试验单元组成的试验装置测得了摩擦力,并结合数值计算结果求得了摩擦系数.分析了O形辅助密封圈的压缩量及滑移速度对摩擦力的影响,讨论了O形辅助密封圈对机械密封的密封能力、泄漏特性的影响.结果表明:O形密封圈用于机械密封中的补偿机构会有微量泄漏;水润滑状态下接触密封界面能形成润滑水膜,摩擦力较小,有利于密封稳定运转.     

基于多轴疲劳准则的齿轮点蚀寿命预测

综合齿轮动力学和弹性流体动力润滑理论,建立基于临界平面法多轴疲劳寿命预测模型.首先根据齿轮啮合特性获取齿面接触的时变参数,采用平均滤波方法模拟齿面磨合后的粗糙状态,并将齿面粗糙形貌带入油膜厚度计算,并基于量纲化差分方法建立齿轮的热弹流动力润滑模型;随后,通过润滑界面压力和摩擦力的分布计算近表面应力状态,确定接触近表面任意平面的应力与应变幅;最终,采用临界平面方法计算Smith-Watson-Topper(SWT)参数和最易萌生裂纹的平面,最终确定齿轮疲劳点蚀寿命,并试验验证模型有效性.结果表明：粗糙表面造成压力、油膜厚度和温度等波动较大,最大应力集中分布在表面,疲劳点蚀的微裂纹首先在表面萌生;齿轮疲劳点蚀数值模型可有效预测不同润滑条件下的疲劳点蚀寿命.     

基于微凸体接触的心盘磨耗盘摩擦行为数值模拟研究

基于微凸体接触的粗糙表面摩擦模型以材料硬度、弹性模量、剪切模量、泊松比、表面粗糙度、微凸体高度分布概率函数和正压力等为输入参数,模拟摩擦副往复运动摩擦行为,可获得摩擦力-位移(F-δ)曲线、接触界面微凸体滑移情况.利用该模型模拟了心盘磨耗盘摩擦行为,结果表明:往复行程为2μm时,F-δ曲线为椭圆形,接触微凸体为部分滑移,往复行程大于2μm时,F-δ曲线由椭圆形逐渐变为矩形,接触微凸体由部分滑移逐渐变为完全滑移;材料表面粗糙度对摩擦系数及摩擦力的影响较小,但对接触表面的微凸体滑移特性有明显影响,粗糙度越大,引起接触微凸体完全滑移所需的位移越大,相同的位移下,发生滑移的微凸体越少.     

点接触弹塑性流体动力润滑研究

建立了点接触混合润滑模型,根据下表面应力分布迭代求解出下表层的塑性应变,将下表面塑性应变等效转化为本征应变,结合半无限体内本征应变对弹性场的应力扰动解法求解残余应力,表面塑性变形根据本征应变采用半解析方法求解.计算结果表明:本混合润滑模型在塑性计算模块、弹塑性流体动力润滑计算均表现出了很好的准确性以及高效性;本模型能够模拟真实机加工粗糙表面下弹塑性混合润滑问题;能够模拟由全膜润滑、混合润滑、边界润滑以及干接触全工况下的润滑情况,当滚动速度逐渐减小时,平均油膜厚度逐渐减小,接触区由全膜润滑转变为混合润滑,最终演变干接触.     

基于隐式扩散的直接力格式浸没边界格子Boltzmann方法

采用浸没边界格子Boltzmann (immersed boundary-lattice Boltzmann, IB-LB)模型执行动边界绕流数值模拟时,信息交互界面和边界力计算格式直接影响流动求解器的数值精度和计算效率.基于隐式扩散界面,一种改进的直接力格式IB-LB模型被提出.边界力表达式基于欧拉/拉格朗日变量同一性准则推导,转换矩阵描述的信息交互界面耦合了拉格朗日节点间的非同步运动.采用Richardson迭代数值求解关联边界力与无滑移速度约束的线性方程组,不仅克服了传统速度修正格式中矩阵求逆引起的计算效率问题,而且摆脱了算法稳定性对拉格朗日点分布的依赖.根据解析解已知的Taylor-Green涡流评估本文模型的数值模拟精度,结果表明改进的IB模型能够完整保留背景LB模型的二阶数值精度.静止圆柱和振荡圆柱绕流数值实验结果表明,当前模型在涉及复杂外形和运动界面的流动模拟中能够提供可靠的数值预测,满足力同一性的IB-LB模型能够有效抑制非定常流体力的伪物理震荡.波动翼型绕流模拟验证了当前模型的实用性,可在大变形柔性体流固耦合动力学问题中进一步推广.     

纳米尺度边界滑移的分子动力学模拟研究

利用分子动力学模拟方法研究了纳米尺度超薄膜润滑的边界滑移现象,分别模拟考察了固液作用势、固液密度差异和温度对滑移长度的影响.结果表明:在固液作用势较强的情况下,滑移长度随着温度的增加而增大;当固液作用势较弱时,滑移长度随着温度的增加反而下降;滑移界面上、下的层状有序化差异程度是导致滑移的主要原因;应用所建立的方法可以较好地解释不同物理参数条件下的壁面滑移问题.     

润滑条件下菱形孔织构端面摩擦学特性研究

应用UMT-3型多功能摩擦磨损试验机和自制的磨损测试试验台,考察供液充分条件下菱形孔的尺寸、形状、排布方式及深度对摩擦系数的影响和机理分析.结果表明:具有合适孔型和孔深的菱形孔织构端面,可极大地改善摩擦副的润滑性能,能够有效地降低摩擦系数.在研究的工况条件下,双向双列倾斜菱形孔和孔深为10μm的菱形孔,具有较好的摩擦学特性;某些类型的织构端面在进入流体动力润滑阶段后,摩擦系数随Herscy数的增大产生波动,而非增大的趋势,这是因为在滑动面间能够产生空化,而空化区的气液边界处将产生界面滑移,空化区越大,滑移长度越长,滑移效应增强,则减摩性越好,从而导致摩擦系数减小.     

温成形摩擦界面粉末润滑层宏微观特性的试验研究

温成形时加入润滑剂,可提高产品质量,降低变形力,延长模具的使用寿命.不同温度下润滑剂的性能不同,也影响加工界面的摩擦特性.通过将松散的石墨粉导入到面接触摩擦副间隙中,可以在轴向载荷和剪切力作用下形成减摩性能良好的粉末层,实现高温和高压成形过程的良好润滑.采用多功能摩擦磨损试验机研究温度对温成形粉末润滑界面的影响,对粉末润滑润滑的摩擦副表面进行电子显微镜观察、三维轮廓分析、能谱分析、元素含量分析及拉曼分析,获得温度影响温成形摩擦特性的现象和机理.结果表明:温度对温成形中粉末润滑界面的摩擦特性有很大影响,不同温度下摩擦系数发生改变,而粉末润滑层的平整性、完整性以及石墨有序化程度也随温度改变,而这些因素都是温度改变粉末润滑效果的内在原因.     

Navier-Stokes方程二阶速度滑移边界条件的检验

对微尺度气体流动,Navier-Stokes方程和一阶速度滑移边界条件的结果与实验数据相比,在滑移区相互符合,在过渡领域则显著偏离.为改善Navier-Stokes方程在过渡领域的表现,有些研究者尝试引入二阶速度滑移边界条件,如Cercignani模型,Deissler模型和Beskok-Karniadakis模型.以微槽道气体流动为例,将Navier-Stokes方程在不同的二阶速度滑移模型下的结果与动理论的直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法和信息保存(IP)方法以及实验数据进行比较.在所考察的3种具有代表性的二阶速度滑移模型中,Cercignani模型表现最好,其所给出的质量流率在Knudsen数为0.4时仍与DSMC和IP结果相符;然而,细致比较表明,Cercignani模型给出的物面滑移速度及其附近的速度分布在滑流区和过渡领域的分界处(Kn=0.1)已明显偏离DSMC和IP的结果.     

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.     

聚合物刷水润滑条件下水膜厚度和摩擦学行为的相关性研究

利用表面引发原子转移自由基聚合技术(SI-ARTP)在钢球和玻璃盘摩擦副表面分别接枝亲水性聚合物刷-聚甲基丙烯酸-3-磺酸丙酯钾盐(PSPMA),去离子水作为润滑剂,在球-盘式摩擦试验机和纳米级薄膜厚度测量装置上开展了其宏观摩擦学性能研究,探讨了流体动压效应介入下的聚合物刷水润滑机理. 利用光干涉技术观察了低卷吸速度下(4 mm/s)接触区域水膜分布情况,发现滚道两侧水膜的形状由初始状态的圆形随着时间逐渐沿着卷吸方向分布,证实了聚合物刷通过不断捕获周围的水分子形成了1层稳定的水膜;通过控制卷吸速度从1 mm/s连续增加512 mm/s实现了润滑状态的转变,低卷吸速度时处于薄膜润滑状态,膜厚不依赖于速度且稳定在35 nm左右,接触区内有效水膜的建立归功于聚合物刷的水合效应;当速度大于32 mm/s时处于弹流润滑状态,膜厚的测量值高于等黏弹膜厚公式的预测值(2~12 nm)和水合效应促成的膜厚值(约35 nm)之和,这意味着在流体动压润滑作用下聚合物刷表现出了优异的润滑增强作用, 是水合效应和流体动压效应协同作用的结果.      

一般各向异性单侧接触界面上波的反射和折射

研究简谐弹性波在一般各向异性介质单侧接触界面上的反射和折射问题．利用Fouier分析方法将非线性Coulomb摩擦接触边界波动问题化为一组代数方程．给出了确定局部分离、滑移和粘着区的思路和方法及各区域的解；讨论了出现界面局部分离和滑移的条件．对特定材料组合情况进行了详细数值计算，给出了界面力、相对滑移速度、张开位移、高频谐波的反射折射系数等特征参量；考察了平面和反平面波动的耦合及整体滑移等．其中关于高频谐波的结果可对已有实验结果给出很好的定性解释．在大多数情况下，即使对摩擦系数无穷大的粘滞接触界面，分离区端部也总是存在一个很小的滑移区。