流体润滑状态下织构化表面的摩擦学性能研究

发布时间：2017-04-10 15:05

  本文关键词：流体润滑状态下织构化表面的摩擦学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：摩擦学(Tribology)涵盖了润滑、摩擦以及磨损三方面知识，其主要以两相对运动物体表面为研究对象。节能、节材、提高产品质量、延长机械设备的使用寿命以及增加机械设备的可靠性是摩擦学研究的终极目标。近年来，表面织构被作为一种改善摩擦学性能的方法受到广大学者追捧，其定义为在摩擦副表面加工出具有一定规则和排列方案的介、微观结构。为了进一步深入了解流体润滑状态下表面织构的润滑减摩机理以设计出最优的表面织构模型，本文将对织构化表面的摩擦学性能做如下研究： 第一，建立了非对称性凹槽织构的计算流体动力学(CFD)模型，利用商业软件FLUENT对其进行求解，模拟分析了凹槽织构非对称参数H以及雷诺数Re对油膜承载的影响。模拟结果表明：当凹槽织构的几何形状呈现非对称性时，油膜承载与凹槽织构的非对称性参数H在低雷诺数下表现出很强的依赖关系，随织构非对称性参数H的减小而增大，如雷诺数Re=20，H从4减小到0.2，油膜承载增加了73.44%。然而此种作用伴随雷诺数的增加逐渐减弱，如雷诺数Re=160，H从4减小到0.2，油膜承载仅增加了4.68%。另外，，雷诺数对油膜承载有较大影响，随雷诺数Re的增大，油膜承载几乎单调递增。 第二，针对摩擦副表面，近年来有实验证明在其上加工部分表面织构比充满织构的摩擦副表面能更进一步改善摩擦学性能。因此，利用计算流体动力学(CFD)模型模拟研究了部分表面凹槽织构的动压润滑性能，详细分析了表征部分凹槽织构在摩擦副表面排列布局的位置参数L对油膜承载的影响。研究结果表明：低雷诺数下位置参数L对油膜承载影响明显，如确定凹槽织构宽度D=0.2，在雷诺数Re=3时，L从0.4减少到0.05，油膜承载提升了58.99%，相同条件下，摩擦系数也得到明显改善，减少了59.1%。 第三，建立了动压润滑下基于Reynolds方程的三维表面织构润滑计算模型，利用Visual Fortran语言编程对其进行了数值求解，分析了凹槽类及凹坑类织构的动压承载性能，并提出一种全新类型的表面织构——矩形织构。研究发现：不同类型织构间存在着一个共同的最优深度范围，其无量纲大小为0.5-0.7，正方形凹坑织构和圆柱形凹坑织构存在最优的面密度，分别为0.36和0.5024，且正方形凹坑织构比凹槽类织构、圆柱形凹坑织构表现出更好的摩擦学性能。另外，通过与传统类型表面织构对比分析，研究还发现：最优组合参数下的矩形织构比传统类型织构能产生更大的油膜承载，其最优组合参数为w=0.6, c=0.8, h=0.5-0.7。论文最后依据最优组合参数下的矩形织构，提出了一种摩擦副表面理想的矩形织构加工布局方案，此方案对摩擦副表面实际织构处理具有一定的参考价值。
【关键词】：动压润滑 表面织构 CFD数值模拟 雷诺方程
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH117
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 背景及意义11-12
• 1.2 研究现状12-22
• 1.2.1 加工技术12-14
• 1.2.2 工程应用14-17
• 1.2.3 润滑计算模型17-19
• 1.2.4 关键研究参数19-21
• 1.2.5 润滑减摩机理21
• 1.2.6 总结21-22
• 1.3 本课题研究内容22-24
• 第二章 织构化表面动压润滑计算模型24-31
• 2.1 引言24
• 2.2 CFD 简介24-25
• 2.3 CFD 基本理论25-27
• 2.4 CFD 模型及无量纲化处理27-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 计算模型及数值方法的有效性31-40
• 3.1 引言31-32
• 3.2 库埃特流动及其解析解32-34
• 3.3 库埃特流动数值解34-38
• 3.4 本章小结38-40
• 第四章 不同雷诺数下非对称织构承载性能的 CFD 研究40-50
• 4.1 引言40
• 4.2 非对称凹槽织构物理模型40-42
• 4.3 数值方法及边界条件42-44
• 4.3.1 计算模型及几何参数定义42-43
• 4.3.2 计算域及边界条件43
• 4.3.3 计算网格收敛分析43-44
• 4.4 非对称凹槽织构动压润滑性能分析44-49
• 4.4.1 织构上壁面压力分布44-46
• 4.4.2 织构表面油膜动压承载46-49
• 4.5 本章小结49-50
• 第五章 部分表面凹槽织构对摩擦学性能的影响50-72
• 5.1 引言50-51
• 5.2 部分凹槽织构物理模型51
• 5.3 数值方法及边界条件51-53
• 5.3.1 基本控制方程51-52
• 5.3.2 计算域及边界条件52-53
• 5.4 部分凹槽织构动压润滑性能分析53-60
• 5.4.1 位置参数对油膜承载的影响53-55
• 5.4.2 雷诺数对油膜承载的影响55-57
• 5.4.3 凹槽宽度对油膜承载的影响57-60
• 5.5 部分凹槽织构摩擦特性分析60-70
• 5.5.1 位置参数与摩擦力的关系60-61
• 5.5.2 位置参数与摩擦系数的关系61-64
• 5.5.3 关键参数下的流线分布64-68
• 5.5.4 部分凹槽织构减摩机理68-70
• 5.6 本章小结70-72
• 第六章 基于求解 Reynolds 的最优织构设计模型分析72-101
• 6.1 引言72-73
• 6.2 基本理论73-76
• 6.2.1 雷诺方程（Reynolds）73-74
• 6.2.2 雷诺方程（Reynolds）定解条件74-75
• 6.2.3 流体润滑性能计算75-76
• 6.2.4 雷诺方程的数值解法76
• 6.3 润滑计算模型建立及有限差分法76-81
• 6.3.1 润滑计算模型76-78
• 6.3.2 有限差分法78-81
• 6.4 织构几何参数表征81-83
• 6.5 基于有限差分法的计算模型求解流程图83
• 6.6 Reynolds 方程的有效性83-85
• 6.7 网格收敛性分析85-86
• 6.8 传统表面织构润滑性能分析86-94
• 6.8.1 织构的最优深度86-89
• 6.8.2 织构的最优宽度及面密度89-94
• 6.9 矩形凹坑织构的提出94-99
• 6.9.1 最优宽度确定94-95
• 6.9.2 最优长度确定95-97
• 6.9.3 织构数量的影响97-99
• 6.10 本章小结99-101
• 第七章 全文总结与展望101-103
• 7.1 全文总结101-102
• 7.2 工作展望102-103
• 参考文献103-109
• 附录A109-113
• 附录B113-132
• 致谢132-133
• 攻读学位期间的研究成果133-134

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 赵运才;葛世荣;;Ni60A/MoS_2复合涂层设计及磨损失效机理[J];中国表面工程;2009年03期

2 赵运才;郭永明;王莉;;WS_2含量对超音速等离子喷涂KF301/WS_2润滑耐磨涂层摩擦学行为的影响[J];材料保护;2011年08期

3 朱华;历建全;陆斌斌;马晨波;;变密度微圆坑表面织构在往复运动下的减摩作用[J];东南大学学报(自然科学版);2010年04期

4 李永健,陈皓生,陈大融,汪家道;表面形貌对磁盘-磁头间隙润滑影响的数值分析[J];清华大学学报(自然科学版);2005年11期

  本文关键词：流体润滑状态下织构化表面的摩擦学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：296951