橡胶材料摩擦Schallamach波演化的实验与模拟研究

发布时间：2020-11-17 08:33

　　 橡胶摩擦是生活和生产中普遍存在的问题,如轮胎胎面磨损、密封圈胶面滑动、鞋底磨损和坦克胶轮摩擦等。与其他材料摩擦时橡胶材料会表现出粘结-滑移的行为,特别针对较软橡胶材料滑动摩擦时,伴随着粘结-滑移行为其表面会发生明显的特殊波状变形,又称为Schallamach波。这些波会导致材料的奇异磨损,机械的附加震动,密封的泄露和机械噪音等,同时也可以利用其进行材料表面形貌构建和调控。因此,研究橡胶材料摩擦Schallamach波的影响因素和模拟方法,阐明橡胶材料摩擦Schallamach波的行为与机理,对柔性电子、生物橡胶材料和传统工程橡胶材料等开发和应用具有十分重要的科学和工程意义。本文制备了不同力学性能实验材料,搭建了实验所需的实验平台,进行了不同条件下摩擦实验,揭示了Schallamach波的演化规律,并首次实现了三维状态下Schallamach波的仿真模拟。主要工作包括以下内容:首先,进行了实验材料制备与表征和实验平台搭建的工作。选取PDMS为实验材料,通过调整材料配比制备了具有不同力学性能的PDMS材料。对实验材料进行了单轴拉伸实验和DMA松弛实验来表征其超弹性与粘弹性,对实验数据进行了不同模型的拟合,选取了最佳的本构模型。参考经典实验装置,设计和搭建了本文实验所需的摩擦Schallamach波实验平台。其次,定量研究了不同条件下摩擦Schallamach波的演化规律。进行了不同滑移速度、压缩量和橡胶材料的摩擦实验,获得了不同滑移速度下Schallamach波表面形貌特征和波出现的临界滑移速度,揭示了四种摩擦力的波形与滑移速度的对应关系,建立了滑移速度与最大静摩擦力关系表达式,获得了波速、波长、波数和接触面积随滑移速度、压缩量和材料配比变化的规律,并建立了关系模型。最后,进行了摩擦Schallamach波二维和三维仿真模拟研究。通过二维仿真模拟,揭示了材料特性和粘弹性对首波出现时间、传播时间、波数和波速的演化规律,获得了Schallamach波出现的临界压缩应变为0.35,与文献报道结果一致。首次实现了Schallamach波三维仿真模拟,获得了形貌变化、摩擦力和波速等特征变化规律,与实验结果对比验证了三维分析结果的可靠性,并揭示了摩擦过程中橡胶材料的受力状态。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O313.5;TQ330.1
【部分图文】：

然科学基金重大项目“大飞机子午线研究”，项目批准号：51790502。活和生产中得到广泛应用，如轮胎、密封胶轮、医用手套和生物橡胶等[1,2]。与工作状态之一，例如轮胎胎面橡胶、橡材料摩擦时橡胶材料会表现出粘结-滑部分金属等材料摩擦时也会出现这种行点，较软橡胶材料受到很小的滑动摩擦明显的特殊波状变形，这种变形最早allamach 波，如图 1-1 所示[10]。摩擦过异磨损[11,12]，机械的附加震动[13]，密封用 Schallamach 波进行表面形貌构建和amach 波的影响因素和模拟方法，阐明、生物橡胶材料和传统工程橡胶材料等[18]。

哈尔滨工业大学工程硕士论文面剥离波的形式通过接触区域，在接触区域后方消失，波的传播方向与硬表面的移动方向相反，传播速度大于硬表面移动速度，如图1-2所示[30]。在对Schallamach波行为的研究中摩擦力值、临界速度、波速、波长和变形形貌是关注的重点[30]。

图 1-2 Schallamach 波的形成和传播示意图[30]1.2 国内外研究现状1.2.1 Schallamach 波的实验研究现状对Schallamach波的研究主要通过实验方法，经典装置[31]（如图1-1）的实验方法为将（透明或不透明）橡胶材料放置于透明玻璃平板上，玻璃半球（或圆柱）在竖直方向固定，以一定压力（或法向位移）与橡胶接触，玻璃板沿纵向移动，由此使橡胶材料与玻璃球之间发生相对滑动，将高速摄像设备连接显微镜头，拍摄并记录Schallamach波形成和传播过程（如图1-4），通过图像分析获得Schallamach波的行为特征[24,32-34]，已报道研究中的部分实验条件和结果如表1-1所示。
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本文编号：2887288