等离子喷涂NiCrAlY-Cu涂层中Cu在宽温域环境下的扩散及摩擦耗散机制

含软金属自适应涂层在摩擦过程因软金属独特的性能而具备良好的摩擦学性能,然而在不断摩擦过程中软金属会发生一定的耗散导致涂层失效。为了研究软金属润滑剂在宽温域摩擦过程中的耗散机制,利用等离子喷涂技术制备NiCrAlY-Cu涂层;通过分析热处理及宽温域摩擦前后涂层的组分与形貌演变,揭示NiCrAlY-Cu涂层中Cu的高温扩散及宽温域摩擦耗散机制。结果表明:Cu以片层状分布在NiCrAlY基础相中,软金属Cu在温度单因素影响下垂直向涂层表面扩散,随着温度的升高扩散加剧。在1000℃环境下Cu在涂层内部发生平行扩散,并最终呈现弥散态分布。在中低温环境下随着温度的升高Cu的剪切强度降低进而使得涂层摩擦因数逐渐下降,但是由于Cu呈片层状分布,随着温度的升高涂层发生疲劳剥落导致磨损率升高。随着温度的进一步升高,Cu扩散加剧,片层状Cu减少,同时发生氧化,使得摩擦因数升高,磨损率降低。在宽温域摩擦过程中由于温度和载荷的共同影响,Cu在涂层中的摩擦耗散机制为Cu垂直向涂层表面扩散,由磨痕区域内向磨痕外平行扩散。同时,磨痕内聚集的Cu以磨屑形式逐渐损耗。提出在不同温域摩擦过程中受力-热耦合影响的软金属耗散机制,可为解决含软金属自适应涂层的失效问题提供理论依据。

摩擦耗散大气中切变流的非线性稳定性

本文从包含摩擦耗散的非线性准地转方程组和包含摩擦耗散与大地形作用的非线性浅水波方程组出发,使用了Serrin-Joseph的能量方法,利用变分原理,分别用总能量和总位涡拟能导得这两个方程组的切变基流的非线性稳定性判据。

基于摩擦耗散的石墨/WC-Ni干摩擦下磨损定量及预测

从摩擦耗散的角度研究干摩擦下石墨/WC-Ni配副磨损与摩擦副摩擦耗散能量之间的规律,获得了石墨磨损与配副摩擦耗散功率之间的关系,结果表明石墨干摩擦下的磨损率与配副的摩擦耗散功率呈显著的线性关系.单一和组合工况磨损预测试验表明:石墨磨损模型能够准确地预测不同工况下石墨的磨损量,预测结果和实际测量结果符合.干摩擦下石墨磨损率与摩擦耗散功率之间的定量关系,物理意义明确,使用方便,结果可靠,研究结果具有重要的理论和工程应用价值.

多层箔片超声焊接的摩擦能量耗散机理及影响因素研究

在多层金属箔片的超声焊接过程中,焊头压紧金属箔片并带动其发生超声振动,各接触面摩擦生热并产生塑性变形,进而形成固相连接.各层箔片所受载荷存在差异,导致各接触面的摩擦行为和连接质量不一致,从而影响整体焊接质量.因此,需要分析焊接过程中载荷在多层金属箔片中的传递规律,揭示多界面的摩擦状态和能量耗散差异.以5层铜箔的超声焊接为研究对象,基于Cattaneo-Mindlin接触理论,利用Abaqus建立二维有限元仿真模型;分析不同压力载荷下各接触面的载荷分布和黏结-滑移状态转化;计算各接触面的摩擦耗散能量总量及在各接触面中的占比,并总结影响因素,给出多层金属箔片超声波焊接的理论工艺优化方法.

考虑热效应的滚滑并存线接触粗糙界面的摩擦能量耗散特性研究

高速、重载工作条件下,机械结构滚滑并存界面的温度热效应变得显著,可导致系统的动力学特性、磨损特性和工作稳定性等发生根本性变化。通过建立滚滑并存线接触粗糙界面模型,基于界面的法向载荷由润滑油膜和粗糙体共同承担的载荷分配思想,采用Greenwood-Williamson统计模型描述粗糙表面形貌,考虑界面温度热效应的影响,建立了滚滑并存线接触粗糙界面的能量方程、油膜厚度方程和粗糙体接触压力方程,求解了界面温度场,获得了表面粗糙形貌、界面法向载荷和运动速度对热润滑油膜厚度参数和摩擦能量耗散量的影响特性,为机械结构的润滑状态预测和系统动态性能分析提供基础。

不考虑局地引潮势的南海正压潮能通量与潮能耗散

利用ECOM模式模拟南海正压M2、S2、K1、O1分潮,对南海潮能通量及潮能耗散进行研究。结果显示,M2、S2、K1和O1分潮分别有38.93、5.77、29.73和28.97GW的能通量经吕宋海峡传入南海,并有2.42、0.36、8.67和7.86GW的能通量由南海经卡里马塔海峡传入爪哇海。由东海及吕宋海峡西北部传入台湾海峡的M2分潮能通量为25.28GW。半日潮进入北部湾和泰国湾的能通量较少(6.52GW),全日潮则较大(24.74GW)。通过民都洛和巴拉巴克海峡断面,全日潮由南海向苏禄海共输送12.28GW的能通量,而半日潮则由苏禄海向南海输送1.92GW的能通量。由模式输出结果估计得到的南海各局部海域的底摩擦耗散与净潮能通量存在差异,为使二者平衡,可对南海不同海域的底摩擦系数进行调整。依净潮能通量与底摩擦耗散平衡关系计算得到台湾海峡、北部湾、泰国湾及南海深水海域的底摩擦系数分别为0.0023、0.0024、0.0023和0.0021。

耗散作用下赤道海洋表层对风应力强迫的响应

利用一个包含摩擦耗散的浅水运动方程,对赤道表层海洋在大气风应力强迫作用下的响应过程进行了解析求解。研究表明,摩擦耗散一方面对赤道表层海洋的响应振幅有削减作用;另一方面,摩擦耗散的强度影响着赤道表层海洋对大气风应力强迫变化的响应快慢程度,摩擦耗散越强,海洋对大气风应力强迫变化的响应越快。

摩擦对力链中动态能量耗散的影响机制研究

本文建立了一个两侧受到约束的有限长一维颗粒系统模型,探究了摩擦对颗粒材料耗能机制的影响.本文采用离散元方法研究该动力学过程中能量的耗散机理,模型中颗粒之间、颗粒和约束之间的法向接触采用非线性Hertz接触模型,切向接触采用Mindlin剪切模型,通过分析主孤立波的幅值和波速以及颗粒间接触力的衰减规律探究颗粒材料能量耗散机制.结果表明:受到冲击的一维颗粒链中会产生一道主孤立波,孤立波的幅度在远小于颗粒间最大接触力的摩擦力作用下仍然会产生显著的衰减;摩擦力的存在使得系统中的动态能量会在有限深度内耗散;此耗散深度依赖于摩擦力的大小.根据能量传播路径上的耗散规律,将耗散过程可分为非线性接触主导过程、中间过程、摩擦和接触混合主导过程三个阶段,分别分析了每阶段相应的力学机制.

装配式刻槽道面宏观构造特征参数研究

本文以A320主起落架轮胎与装配式道面板为研究对象,首先,基于能量损耗理论及摩擦学基本原理,建立轮胎与道面之间的能量耗散方程,从而得出道面宏观构造特征参数与摩擦耗散之间的量化关系。其次,利用ABAQUS建立飞机轮胎-道面板相互作用动力仿真模型。最后,通过仿真实验得到最优的装配式刻槽道面的构造特征参数(刻槽深度、刻槽宽度、刻槽倒角),结果表明:当刻槽宽度为30 mm、刻槽深度为2 mm、刻槽倒角为45°时,装配式道面板可以显著增强道面抗滑性能,具有良好的摩擦耗散性能,与轮胎接触面更大,抓地性能更好,可以提高装配式道面板的耐久性。

MoS_(2)薄膜摩擦因数和磨损量的数学模型

目的 构建MoS_(2)薄膜的摩擦因数模型和磨损模型,预测其磨损体积。方法 通过球-盘摩擦磨损实验,研究法向载荷和滑动速度对MoS_(2)薄膜摩擦因数的影响规律,其中最大接触压强范围为441.08-1393.82MPa,滑动速度为0.05-0.628m/s。利用场发射扫描电子显微镜(SEM)和白光共聚焦显微镜分析MoS_(2)薄膜的磨损形貌。结果 基于赫兹接触理论,建立了MoS_(2)薄膜摩擦因数与法向载荷和滑动速度的数学模型。预测结果与实测结果之间的最大相对误差为12.02%,其余预测结果的相对误差均小于10%。从摩擦耗散能的角度,研究发现MoS_(2)薄膜的磨损体积与摩擦耗能之间呈显著的线性关系,结合新的摩擦因数模型,提出了MoS_(2)薄膜的磨损模型。此磨损模型是法向载荷、滑动速度和摩擦时间的函数关系式,其相对误差绝对值的平均值为10.81%。与传统Archard模型的结果进行比较发现,新的磨损模型的相对误差较小。通过分析MoS_(2)薄膜的磨损机理,探讨了磨损模型产生误差的原因。结论 所建立的摩擦因数模型和磨损模型的预测结果与实测结果吻合较好。磨损模型能够较准确地预测MoS_(2)薄膜的磨损量,具有重要的工程应用价值。

不同角度晶界对单层多晶二硫化钼摩擦性能的影响

目的考察不同角度晶界对单层多晶二硫化钼纳米片摩擦性能的影响,并探究其摩擦耗散机理。方法用化学气相沉积法(CVD)制备单层多晶二硫化钼(MoS2),通过原子力显微镜力曲线测试和摩擦力实验,分别得出无晶界区域和晶界处的粘附力、摩擦系数、摩擦耗散。结果对于单层多晶MoS2,无晶界区域粘附力为7.20 nN,不同角度晶界处粘附力为11.11nN至11.40 nN。无晶界区域及−6°、33°、88°晶界区域(400 nm×400 nm)摩擦系数分别为0.00619、0.00645、0.00737和0.01760。在30~150 nN法向载荷范围内,探针经过无晶界区域产生的摩擦耗散变化范围为33.93×10^−16~46.88×10^−16 J,−6°晶界区域为37.15×10^−16~52.09×10^−16 J,33°晶界区域为38.76×10^−16~55.18×10^−16 J,88°晶界区域为46.59×10^−16~59.72×10^−16 J。结论晶界处吸附的极性粒子加强了探针与MoS2表面的相互作用,使得晶界处的粘附力比无晶界区域的大,但晶界角度对粘附力的影响不大。在一定测试范围内,晶界区域的摩擦系数要比无晶界区域的摩擦系数大,并随晶界角度增加而增大,摩擦过程中晶界区域产生的摩擦耗散也比无晶界区域多。晶界角度的不同可能会造成晶界处的弯曲刚度存在差异,从而探针滑移经过不同角度晶界时导致不同程度的褶皱效应。并且随着法向载荷的增大,探针在MoS2表面引起的面内变形程度越来越高,这样会引起表面褶皱效应,从而导致摩擦过程中产生的能量耗散随晶界角度和法向载荷增大而增加。

横向应力场对原子尺度摩擦的调制

目的探索横向应力场对原子尺度摩擦能量耗散的调制规律。方法采用微机械剥离方法制备单层至多层MoS2样品,利用光学显微镜、高波数拉曼光谱、低波数拉曼光谱精确确定MoS2的层数。通过原子力显微镜,对单层至多层MoS2进行原子尺度摩擦实验,探索横向应力场对原子尺度摩擦参数及摩擦能量耗散的调制规律。基于独立振子模型,分别评价等效刚度k和表面势垒U0对MoS2原子尺度摩擦行为的影响,并通过独立振子模型计算MoS2原子尺度摩擦能量耗散。结果在无应变的情况下,随着MoS2层数的增加,等效刚度从2.92 N/m增加至7.41 N/m,表面势垒从0.36 eV增加至0.58 eV。单层MoS2平均摩擦力最大,双层MoS2次之,多层MoS2最小。当应变从0增加至1.06%时,单层MoS2的等效刚度从2.92 N/m增加到12.03 N/m,表面势垒从0.36 eV增加至2.94 eV,但是应力场对表面势垒的调制作用更强,从而导致相对势垒η与应力场呈正相关。随着应力场的增加,原子尺度摩擦能量耗散增加,而且当应力场刚开始作用于MoS2时,摩擦能量耗散显著增大。单层MoS2的摩擦能量耗散从无应变时的1.3×10^-13 J增加到应变为0.53%时的1.9×10^-12 J。结论研究能量耗散不仅有助于探究摩擦本质,而且可实现能量耗散的调制。该工作促进了原子尺度摩擦能量耗散的研究,为摩擦能量耗散调制提供了新的方向。

轴向激励下螺栓连接结构有限元分析

利用软件ABAQUS建立螺栓连接结构有限元模型,分析不同预紧力、载荷幅值作用下螺纹接触界面的应力应变分布,讨论轴向激励下螺栓轴向力的衰减行为。结果表明,第一圈工作螺纹根部Mises等效应力和累积塑性应变最大,说明螺栓在此处发生疲劳断裂的风险最高。螺栓连接结构分离后螺纹承载面的滑移幅值迅速上升,且上升幅值随着工作螺纹圈次的增加而减小,从而造成单位面积耗散能随工作圈次的增加而减小的现象。经过第一次循环加载后,螺栓轴向力降幅较大。同时,螺纹间的相对滑动和材料的塑性变形是螺栓轴向力下降的主要原因,其中后者的影响尤其明显。

高速摩擦过程中热量产生及耗散机理研究

高速摩擦过程中界面会出现局部高温、结构破坏等现象,从而导致摩擦体系的失效,造成巨大的损失。由于摩擦界面的封闭性,界面温度变化很难得到研究,界面的热传输机理尚不完全清楚。基于以上情况,本文围绕高速摩擦过程展开了深入研究,建立高速摩擦过程的分子动力学模型,从微观能量转换的角度分析了摩擦热的产生机理,研究了摩擦热在材料内部的分布情况,求解得到摩擦热分布的表达式,建立了更精确的摩擦热耗散模型。

半刚性护栏受冲击载荷时力学行为数值模拟

对一个给定的半刚性护栏的设计结构进行抗冲击能力评价,同时对车辆质心与护栏悬挂点之间的距离参数进行优化。采用Abaqus6.5软件对弹塑性大变形动力学接触问题进行有限元数值计算,给出了不同质心高度和不同质量车辆与护栏系统碰撞时车辆的最大外向位移,比较了车辆质心不同高度对应的冲击载荷下护栏系统吸收能量的特性。同时计算和讨论了车辆与地面的摩擦系数对护栏系统行为的影响。数值计算结果表明,给定的护栏系统设计能够有效拦阻和引导质量为1500kg、时速80km/h的失控汽车;在拦阻质量为10000kg、40km/h时速的失控车辆时也比较成功,但不能使之回到正常行驶路线上。车身质心与护栏悬挂点相对距离为0.6m时,护栏系统能在与车体碰撞时发挥最佳吸能效果。

阻塞高压建立的非线性机理探讨

文中建立了一个考虑斜压大气的超长波、长波与纬向气流相互作用的动力系统 ,其中把热力强迫和摩擦耗散作为外参数 ,采用相轨线图、流函数图和Poincar啨图综合分析的方法 ,绘制了外参数平面上的系统状态和环流型式的分布图。结果表明 :用Galerkin方法时 ,在一定范围内截谱阶数的增加对系统状态分布和环流型分布的影响不大 ,但在一定程度上增加了复杂性 ;加热分布的改变对系统影响很大 ;阻塞高压与环流振荡、经向度强烈发展有密切的联系 ,而天气波的发展有利于激发振荡。

大倾角煤层飞矸运移能量演化特征仿真与实验研究

大倾角工作面飞矸运移过程能量演化特征对设备(人员)损伤影响显著,是科学防护飞矸灾害的基础。以大倾角大采高工作面为工程背景,通过理论分析、数值计算及物理模拟方法对飞矸运移方式、能量演化、距离定量进行了研究。结果表明:飞矸运动按阶段可分为一次碰撞与倾向碰撞滑移阶段,按方式分为一次碰撞滑移、多次间歇碰撞及多次间歇碰撞滑移3种;飞矸随煤层倾角增加走向、倾向滑移(滚)距离增加,对人员及设备的伤损程度相应提高;飞矸在扰动力和重力作用下,一次碰撞及倾向碰撞滑移阶段能量耗散为变形能、摩擦热和其它形式耗散能,宏观上能量演化表现在飞矸速度、位移发生变化;对工作面飞矸损物事故进行实验模拟,运移距离理论计算值与实测值较好的吻合。

基于ABAQUS的涤/棉混纺机织物起球过程有限元仿真

为更好地了解涤/棉混纺机织物起毛起球过程,基于对织物起球过程表面毛羽测量得到的毛羽分布特征,借助PYTHON语言建立了织物及其表面毛羽的几何模型,同时利用有限元软件ABAQUS研究了涤/棉混纺机织物表面毛羽的起球过程,分析了涤纶弹性模量对涤/棉混纺机织物起球过程的起球等级、能量吸收形式的影响规律,并将有限元仿真的起球结果和实测起球结果进行对比分析。结果表明:涤纶弹性模量的增加使得涤/棉混纺机织物的起毛起球等级降低;摩擦耗散能是涤/棉混纺机织物起毛起球过程的主要能量吸收形式,织物起毛起球等级的仿真结果与实验结果的差异在7.4%以内,证明有限元仿真的可行性。

不同加载方式下岩石变形及峰后能量演化特征研究

为探究不同加载方式下岩石变形及峰后能量演化特征,开展不同围压条件下砂岩峰前单向加载峰后循环加卸载、峰前峰后均循环加卸载的三轴压缩试验。研究结果表明:峰前同一应力水平,循环加卸载产生的变形略小于单向加载;相比单向加载,循环加卸载的岩样均出现从端部发育、终于主裂纹的不同长度和角度的非贯通细小裂纹,相同围压下形成的主裂纹角度较大;同一围压下,2种加载方式的峰后应力跌落形式近似相同,但循环荷载使跌落过程中岩石试样总输入能量W、损伤耗散能Wd、摩擦耗散能Wf较单向加载试验小,而可恢复弹性应变能We偏大;2种加载方式的峰后残余应力阶段均表现为理想塑性变形,残余强度均随循环荷载次数的增加而减小;循环加卸载试验残余应力阶段的残余强度及总输入能量W、损伤耗散能Wd、可恢复弹性应变能We、摩擦滑移过程中单位应变摩擦耗散能wf均大于单向加载试验,2种加载方式下的wf均具有围压效应。