考虑磁头表面高度不连续性气膜润滑的数值模拟与有效算法

随着磁头滑块的飞行高度不断降低,给气体润滑方程的数值求解带来了诸如计算时间过长、甚至计算发散等方面的问题。为了获得1Tbit/in2的存储密度,磁头滑块尾部的最小飞行高度接近1.5nm。本文基于作者提出的修正气膜润滑方程的线性流率(LFR)模型,考虑磁头滑块表面高度的不连续性,建立了基于有限体积法的气膜润滑方程离散格式,并把网格自适应技术与多重网格法应用到离散方程的迭代算法中,发展了可模拟最小飞行高度为0.5nm时磁头滑块压力分布的数值模拟方法与有效算法。文中以一个具有复杂表面形状的磁头滑块为例,检验了计算方法与算法的有效性。数值结果表明:在磁头滑块最小飞行高度较低时,必须要考虑滑块表面高度的不连续性,否则就得不到收敛的数值计算结果;与FK-Boltzmann模型相比,LFR模型具有较高的计算效率,采用网格自适应技术与多重网格法能有效地提高求解气膜润滑方程的计算效率。     

A dynamic rheological model for thin-film lubrication

In this study, the effects of the non-Newtonian rheological properties of the lubricant in a thin-film lubrication regime between smooth surfaces were investigated. The thin-film lubrication regime typically appears in Stribeck curves with a clearly observable minimum coefficient of friction (COF) and a low-COF region, which is desired for its lower energy dissipation. A dynamic rheology of the lubricant from the hydrodynamic lubrication regime to the thin-film lubrication regime was proposed based on the convected Maxwell constitutive equation. This rheology model includes the increased relaxation time and the yield stress of the confined lubricant thin film, as well as their dependences on the lubricant film thickness. The Deborah number (De number) was adopted to describe the liquid-solid transition of the confined lubricant thin film under shearing. Then a series of Stribeck curves were calculated based on Tichy's extended lubrication equations with a perturbation of the De number. The results show that the minimum COF points in the Stribeck curve correspond to a critical De number of 1.0, indicating a liquid-to-solid transition of the confined lubricant film. Furthermore, the two proposed parameters in the dynamic rheological model, namely negative slipping length b (indicating the lubricant interfacial effect) and the characteristic relaxation time λ 0 , were found to determine the minimum COF and the width of the low-COF region, both of which were required to optimize the shape of the Stribeck curve. The developed dynamic rheological model interprets the correlation between the rheological and interfacial properties of lubricant and its lubrication behavior in the thin-film regime.     

聚合物仿生润滑剂研究进展

生物体内界面之间表现出了极低的摩擦系数,生物大分子润滑剂在其中起到了重要的润滑作用.受此启发,仿生润滑剂的设计和相关润滑机理的研究引起了科研工作者的广泛关注.本文从结构仿生和功能仿生两个方面,综述了聚合物仿生润滑剂的研究进展,分类介绍了水溶性高分子、聚合物微凝胶、聚合物刷修饰复合微球作为仿生润滑液的设计思路、润滑机理及应用研究.     

基于承载接触特性的直齿面齿轮滑动摩擦啮合效率研究

为了解决直齿面齿轮滑动摩擦啮合效率的问题,基于弹性流体动力润滑理论,提出了一种计算直齿面齿轮啮合效率的方法.首先,运用轮齿接触分析(TCA)和轮齿承载接触分析技术(LTCA)对直齿面齿轮承载啮合过程进行数值仿真;其次,运用非牛顿准稳态热弹流理论建立滑动摩擦系数的计算模型,从而建立直齿面齿轮啮合效率的计算模型,最后分析了输入扭矩、转速等对啮合效率的影响.结果表明:滑动摩擦系数是影响齿轮啮合效率的重要因素;齿面不同位置滑动摩擦系数也不相同;滑动摩擦系数受输入转速、输入扭矩的影响.该方法为直齿面齿轮的进一步优化计算提供一定的理论依据.     

表面粗糙度对UHMWPE微动摩擦磨损性能的影响

采用SRV-4微动摩擦磨损试验机,研究了在干摩擦和水润滑条件下,表面粗糙度对UHMWPE微动摩擦磨损性能的影响.结果表明:干摩擦时,随着UHMWPE表面粗糙度的增加,摩擦系数先降低后升高,比磨损率则单调递增.利用光学显微镜和扫描电子显微镜对磨损表面形貌进行分析观测,发现干摩擦时表面粗糙度较小的UHMWPE磨损表面有少量犁沟,并伴随轻微的塑性变形,随着表面粗糙度的增加,摩擦副接触表面间的黏合点增多,黏着磨损加剧,且在对偶钢球的表面形成转移膜.而在水润滑条件下,摩擦系数和比磨损率显著降低,随着表面粗糙度的增加,摩擦系数和比磨损率同干摩擦时的变化趋势一致,磨损以磨粒磨损为主.     

微纳米结构壁面对流场及动压润滑的影响研究

固体边界具有的微纳米结构将影响流体在近壁面处的流动行为,进而由于尺度效应改变流体在整个微间隙的流动或润滑规律.将壁面可渗透微纳米结构等效为多孔介质薄膜,采用Brinkman方程来描述流体在近壁面边界渗透层内的流动,并将其与自由流动区域的不可压缩流体Navier-Stokes控制方程耦合,在界面处的连续边界条件下求解和分析了速度分布规律和压力变化规律.针对恒定法向承载力的油膜润滑条件,进一步讨论了静止表面或运动表面的微纳米结构对近壁面流动行为的影响;并揭示了考虑壁面微纳米结构的流体动压润滑的油膜厚度和摩擦系数的变化规律.论文结果为具有可渗透微结构表面的微间隙流动与润滑提供了理论参考.     

转动与摆动复合运动下脂润滑关节轴承的数值分析

建立了球面轴承的三维润滑模型,该模型将内圈的转动运动、轴颈倾斜引起的内圈倾斜和内圈的摆动运动等因素纳入考虑,推导出球坐标下适用于非Newton(牛顿)流体润滑的Reynolds(雷诺)方程.应用该模型,并考虑使用润滑脂的Ostwald流变模型,对向心关节轴承的润滑问题进行了数值计算,研究了在不同的幂律指数、内圈倾斜角度和摆动角速度下,脂润滑膜的压力分布、最大压力、承载力和流量.结果表明:在合适的操作条件下,脂润滑能产生明显的流体动压效应;在其它参数不变时,幂律指数对脂润滑膜的最大压力和承载能力影响显著,相对于Newton流体,剪切稠化流体可提高润滑膜的最大压力和承载能力,并增加周向流量,而剪切稀化流体的影响效果则相反;内圈倾斜角度对脂润滑膜最大压力和承载能力的影响较小,内圈摆动角速度的影响则较为明显.     

供油温度对润滑状态影响的试验观察与数值模拟

采用球-盘点接触光干涉润滑油膜测量装置,观察了不同供油温度下的接触区润滑状态.结果表明,随着供油温度的升高,润滑油黏度降低,润滑油成膜能力整体下降,接触区润滑状态在较大速度范围内处于边界润滑和混合润滑区间;温度升高还将导致膜厚曲线斜率增大,壁面温差是其诱因,通过数值模拟证实了壁面温差的影响;速度增加使接触区润滑状态向等黏度-刚性区间转化;温度和载荷使接触区润滑状态趋向于压黏-弹性区间.系统散热也会对油膜厚度产生影响.     

慢波导环形换能器及其指向性

本文介绍了一种慢波导环形换能器及其指向性,文中给出了该换能器的结构及其指向性实验结果。实验结果表明,利用声学慢波导能够有效地改善环形换能器的指向性。文中对该换能器指向性形成的机理做了初步分析。     

泡状流三维模拟及壁面润滑力模型比较

采用双流体模型耦合界面浓度输运方程,对竖直上升管内泡状流进行了三维模拟。结合Wang(1987)的泡状流测量实验,研究了不同壁面润滑力作用下管道界面含气率的分布特征。通过实验测量结果与各种壁面润滑力模型计算结果的对比,分析了各种模型对含气率分布的影响。结果表明,Tomiyama及Frank的模型具有相似的特性,高估了壁面润滑力的大小。而Antal的模型作用范围过于狭小,对气泡分布的峰值的预测偏差很大。Hosokawa的模型则较好地预测了本文工况含气率的分布。