粘弹性接触研究及其在水润滑橡胶合金轴承中的应用

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本论文研究了高分子聚合物粘弹性材料的接触力学行为。通过对粘弹性材料蠕变和应力松弛相关特性研究,建立相应的数学、力学模型,分析和计算了粘弹性接触界面的力学行为。新开发的算法能有效避免全解析法和全数值解的弊端,做到快速求解复杂表面的粘弹性接触问题。本论文提出了一种基于半解析法(SAM)的粘弹性接触快速算法。由于蠕变效应具有路径相关性,需计算时考虑前步求解结果。首先用解析的方法得到基本解,然后使用叠加原理得到任意基本解的组合解,并使用共轭梯度法(CGM)和快速傅里叶变换(FFT)求解接触压力。该方法能有效克服解析法只能求解简单边界条件,以及全数值法的计算效率低下的弊端。特别是在粗糙表面接触研究上体现出良好的优越性。通过对比钢球压入三参数固体模型和Maxwell材料的解析解,验证该算法的正确性。进一步,本文采用半解析法(SAM)对单峰体表面、V型脊表面和正弦粗糙表面的粘弹性接触进行了研究。通过分析纹理表面对压力和应力的影响,揭示粘弹性材料破坏机理并实现接触零件的性能优化。并得到结论:表面纹理显著影响接触压力和接触面积;给定一个时刻,光滑表面的接触面积最大;随着时间的增加,接触压力降低而接触面积增加。然后,本文研究了典型加工表面的粘弹性接触行为,分析了磨削加工实测表面的接触特性,微凸体峰顶部分压力最大,压力随微凸体的分布而呈起伏状。粗糙表面微凸体间的接触会引起接触压力的剧烈震荡,接触区分布在许多不连通区域,随着时间的增加,接触区逐渐联通。最后,本方法用来分析水润滑橡胶合金轴承橡胶中粘弹性材料的接触问题,采用将橡胶合金轴承接触等效为线接触的方法。论文分别对水润滑橡胶合金轴承的工作面形状、硫化橡胶和加载压力等影响因数做了研究,得到不同工况下接触压力分布的特点和变化规律。结果表明:水润滑橡胶合金轴承橡胶硫化之后,弹性模量显著提高,可以有效地提高轴承的负载能力与耐磨性能,确保了极端工况条件下的正常运行。此外,平面型水润滑橡胶合金轴承抗摩擦效果优于凹面型轴承,可以承担更大的压力。
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