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关键词： 压电材料   微动磨损   滑动磨损   变摩擦系数   自适应有限元  

摘要： 压电材料具有独特的力-电耦合效应以及优异的介电、光电等性能,因而在机械、电子电路、航空航天、生物医学等领域中广泛使用。压电材料多服役在振动环境中,不仅存在着高度集中的力电耦合场,而且不可避免会出现由振动导致的摩擦磨损,从而降低压电器件的性能甚至导致失效破坏。本文就压电材料的摩擦磨损行为进行实验和有限元模拟研究,探究位移幅值、频率和法向力等因素对压电材料摩擦磨损行为的影响。主要内容和结论如下:（1）采用球-平面接触模式的微动磨损装置,研究了P51、PSnN5和PLiS51三种压电陶瓷与Si3N4陶瓷球之间的微动磨损行为。首先利用实验中得到的摩擦曲线确定微动过程中接触界面所处的接触状态,包括部分滑移、完全滑移和混合滑移。之后利用三维形貌测量仪和扫描电子显微镜（SEM）测量表面形貌和磨损量。研究结果显示,位移幅值的增大使微动状态由部分滑移转变为混合滑移或完全滑移,且磨损体积增大,而法向载荷的增大使微动接触状态向部分滑移转变。PLiS51在较大位移幅值和频率下具有最佳的耐磨性,而P51在较大法向力下具有最佳的耐磨性。（2）基于球-平面接触模式的微动磨损装置,对PVDF（聚偏氟乙烯）压电薄膜与Si3N4陶瓷球的微动磨损行为进行实验研究。在位移幅值、法向力等条件变化时,研究PVDF压电薄膜的微动磨损行为。利用摩擦系数和摩擦曲线等实验数据分析微动过程中接触状态的变化,应用三维形貌仪和SEM探究磨损机理。结果表明,微动过程中PVDF表面会因塑性变形和蠕变引起表面褶皱,位移幅值的增加会消减表面褶皱,从而降低磨损速率。（3）结合自适应有限元方法,利用用户自定义子程序UMESHMOTION模拟PVDF压电薄膜的切向微动磨损行为。在商业软件ABAQUS中建立Si3N4陶瓷球与PVDF压电薄膜接触的三维球-平面接触模型进行模拟,并在模型中考虑了摩擦实验中摩擦系数非恒定的情况,基于Archard磨损理论编写子程序进行PVDF压电薄膜微动磨损体积的计算。将有限元模拟的结果与同条件下的实验结果进行对比发现,变摩擦系数有限元模型计算结果在磨损深度、磨痕宽度和磨损体积上均与实验结果保持较好的一致性,相对误差小于20%。（4）利用球-平面接触模式的摩擦磨损实验设备,对PVDF压电薄膜进行滑动磨损实验研究,考察位移幅值、法向力及往复频率对PVDF滑动磨损的影响并分析磨损机理。随后应用有限元对PVDF压电薄膜滑动磨损行为进行模拟,并在相同条件下与滑动磨损实验结果进行对比。结果发现,极低载荷和极低滑移速度下摩擦系数波动,材料表面以塑性变形引起的褶皱为主要损伤形式,加快滑移速度或增大法向力会加剧磨粒磨损行为,且自适应有限元模型可以较为精确的模拟PVDF压电薄膜的滑动磨损。

关键词： VH-CATT圆柱齿轮   粘着磨损   时变啮合刚度   非线性动力学  

摘要： 变双曲圆弧齿线圆柱齿轮(VH-CATT圆柱齿轮)是一种新型齿轮,具有渐开线齿轮的优点,又具有抗偏载能力强、对安装误差不敏感等优势,在航空航天、交通运输等机械装备传动中具有广阔应用前景。齿轮服役过程中,齿面磨损导致齿侧间隙增大、啮合刚度减小、振动和噪声增大,不仅影响齿轮的正常啮合,降低传动平稳性,又改变其动力学特性。故需对该齿轮的磨损特性和动态响应展开研究,力求做到减振降噪、减磨延寿、优化设计参数。针对以上问题,本论文将从以下四方面展开研究:(1)以一对VH-CATT圆柱齿轮为研究对象,基于齿面方程和齿廓方程,通过数值计算得到精确啮合齿面数据。分析齿轮副啮合点曲率及速度关系,带入齿轮基本参数得到凹凸齿面的主曲率、速度、相对速度和卷吸速度。(2)基于Archard磨损公式和Hertz接触理论,建立动态载荷分配模型和齿面磨损预估模型,计算齿面磨损深度。通过与其它文献结果进行对比验证此模型的正确性。引入安装误差,依次计算标准安装和非标准安装下的齿面磨损量,揭示安装误差和几何参数对齿面磨损量的耦合影响规律,探究其磨损特性。(3)用有限元方法求解出齿轮副在不同载荷下的时变啮合刚度,发现其是成周期性变化的。提出用高次拟合的方法代替齿侧间隙分段函数,得到连续光滑的多项式拟合曲线。用集中质量法建立考虑齿侧间隙、时变啮合刚度、时变啮合阻尼、轴承间隙等强非线性因素的六自由度非线性动力学方程,用数值方法进行求解,作出不同工况下载荷、时变啮合刚度、啮合阻尼改变时系统的分岔图和最大李雅普诺夫指数图,探究其混沌分岔特性。作出特定时刻下系统的时间历程图、相图和庞加莱截面图具体分析。(4)建立考虑磨损效应的变双曲圆弧齿线圆柱齿轮动力学模型,将齿面磨损以随机扰动量的方式引入时变啮合刚度中。将齿面磨损参数用正态分布的形式表现,针对载荷、时变啮合刚度、啮合阻尼等重要参数,作出系统不同磨损程度及不同工况下的系统分岔图,用控制变量法探究不同齿面磨损程度对系统混沌分岔特性的影响,并取特殊时刻,作出四种磨损情况下的时间历程图、相图和庞加莱截面图,以此来揭示齿面磨损对系统动态特性的内部影响规律。

关键词： 剔枝刀   磨损   usui   仿真   遗传算法  

摘要： 目前,针对于丛生竹采伐中耗时最长的剔枝环节已开发出机械,但剔枝刀在高速切削中承受冲击和不均匀磨损,对其使用寿命提出了更高的要求。所以如何有效降低刀刃磨损,提高剔枝效率对剔枝生产效益有重要影响。本文的研究内容如下:(1)对竹枝和剔枝刀的物理力学性质进行分析,探究剔枝影响因素,然后建立剔枝过程的力学模型,得出剔枝阻力的表达式。通过以上分析,确定了剔枝刀的刀刃形式、楔角大小、切割方式、刀具材料均会影响剔枝效果。综合本文研究对象,确定刀具材料为65Mn钢,采用单楔面形式、无支撑切割方式进行剔枝。(2)在ABAQUS中构建出剔枝系统仿真模型,以楔角为45°的刀具,在竹枝移动速度(即切割速度)为2m/s的工况下模拟仿真剔枝过程,根据仿真动画以及动力学仿真数据对不同楔角以及不同切割速度的剔枝过程进行了分析,得到了从刀具接触竹枝开始切割,直至竹枝完全断裂的这一过程中,应力分布及变化情况、刀具所受作用力大小及变化情况、功耗的大小及变化情况。利用SPSSUA软件设计正交试验,对基于能耗和刀具应力的影响因素进行线性回归分析,得出相应回归方程。分析可得,能耗值的主要影响因素为切割速度,刀具应力的主要影响因素为刀具楔角。(3)分析造成刀具磨损的相应理论,基于usui磨损模型确立了剔枝刀磨损研究方案,通过正交仿真实验对剔枝刀的磨损率进行分析,得出刀具楔角、切割速度、刃口半径对刀具磨损率影响显著程度依次为:速度>楔角>刃口半径;对正交实验结果进行极差分析得出:刀具磨损率与刀具楔角呈负相关,与刀刃刃口半径和切割速度呈正相关。即通过增大刀具的楔角可以降低刀具的磨损率,而刀具切割速度和刀刃刃口半径增大则会导致磨损率增大。(4)使用MATLAB软件构建BP神经网络,预测剔枝刀刃的磨损率,并通过遗传算法优化BP网络,提高了神经网络预测的准确度。经遗传算法优化后的BP神经网络预测剔枝刀刃磨损率的MAPE(平均绝对百分比误差)达到0.632%。经随机抽取的5组数据验证,该磨损预测模型的误差有3组均小于1%,模型预测状况良好。将GA-BP磨损预测模型导出作为目标函数,通过遗传算法寻优,再对比不同的几种刀具材料的预测磨损值,得出:以Cr12Mo V为剔枝刀材料,在刀具楔角45°、切割速度2m/s、刃口半径0.05mm的参数组合下,刀具磨损率最低。

关键词： PTFE基自润滑复合材料   摩擦转移膜   类梯田状微观形貌   摩擦   磨损  

摘要： 聚四氟乙烯（PTFE）复合材料以其优良的自润滑性能在航空、航天、机械等重要领域具有广泛的应用前景。PTFE复合材料与金属对磨时会在金属对偶面形成具有屏障和润滑作用的摩擦转移膜,其在提升复合材料的摩擦学性能方面发挥着关键作用。关于摩擦转移膜形貌与复合材料摩擦学特性关系的定量化研究已成为热点,研究者试图从厚度或覆盖率等指标入手来构建转移膜形貌与PTFE复合材料摩擦学性能的函数关系,目的是希望通过这些研究能够实现高性能PTFE复合材料摩擦学性能的调控。然而,目前关于PTFE复合材料摩擦转移膜的微结构特征尚不明确。本文聚焦摩擦转移膜形貌微结构进行深入系统的结构表征研究,多方面详细探究转移膜形貌微结构的影响因素,试图从转移膜微观形貌结构与PTFE复合材料宏观摩擦学性能的关系上寻找规律,并融合厚度和覆盖率构建转移膜形貌与PTFE复合材料摩擦学性能之间的函数关系。本文完成的主要研究工作和成果如下: （1）SiO2/PTFE复合材料的摩擦转移膜具有类梯田状微观形貌特征。转移膜类梯田状微观形貌的主要特点是单层厚度近似相等且不同层的覆盖率随着层数的增加逐渐降低。其中,单层厚度不受SiO2的含量和粒径变化的影响,但其会随着p×v值的增大逐渐增大;层数和第1层覆盖率随着SiO2含量和p×v值的增大先增大后减小、随着粒径的增大有降低的趋势,而顶层覆盖率则表现出相反趋势。 （2）转移膜的类梯田状微观形貌在改变PTFE复合材料组分的情况下仍然广泛存在。实际上,改变填料的种类或基体的分子量不会改变转移膜的类梯田状微观形貌特征。填料方面,几种不同填料（TiO2、Zn O、PEEK、WS2、Si3N4）填充PTFE复合材料的转移膜的单层厚度近似相等,但层数和层覆盖率受填料种类变化的影响较大。基体分子量方面,单层厚度、层数和第1层覆盖率均随PTFE分子量的增大逐渐增加,顶层覆盖率表现出相反趋势。 （3）PTFE复合材料转移膜的单层厚度不受改变对偶件表面粗糙度Ra和偏度Ssk的影响,但不同填料填充PTFE复合材料的转移膜的第1层覆盖率和层数会因表面形貌的变化表现不同趋势。SiO2/PTFE复合材料转移膜的第1层覆盖率和层数随着表面粗糙度值和偏度值的降低逐渐增加;PEEK/PTFE复合材料转移膜的第1层覆盖率和层数随着表面粗糙度值的降低逐渐增加,随着偏度值的减小先增大后减小。 （4）PTFE复合材料的摩擦系数与转移膜的层数、第1层覆盖率和顶层覆盖率之间没有明显变化关系,但复合材料的磨损率受这些参数的影响较大。总体来看,本文试验条件下PTFE复合材料的耐磨性与转移膜层数、第1层覆盖率和顶层覆盖率之间的规律是:转移膜的层数和第1层覆盖率越大、顶层覆盖率越小,复合材料的耐磨性越好。 （5）PTFE复合材料的耐磨性与转移膜的最大厚度、第1层覆盖率和顶层覆盖率之间具有较好的相关性。基于本文的试验条件,融合厚度和覆盖率建立的转移膜形貌与复合材料磨损量之间的关系方程为:V1=0.95（?）-0.061。 本文定量表征和描述了PTFE复合材料摩擦转移膜的类梯田状微观形貌,揭示了转移膜微观形貌参数（层数、层厚度和层覆盖率）与复合材料宏观摩擦学性能的关联性,建立了转移膜形貌与复合材料耐磨性之间的关系方程。论文工作可为完善转移膜形貌的细节特征提供参考,为PTFE复合材料的摩擦学性能可控优化提供一定理论指导。

关键词： 单髁膝关节置换术   有限元分析   接触力学   磨损   假体安装  

摘要： 单髁膝关节置换术(UKA)是治疗终末期单间室膝关节骨性关节炎的有效手段,然而关节接触面之间磨损产生磨损颗粒导致的无菌松动是UKA假体失效的重要原因。临床前的磨损评估对于评价假体磨损性能和降低假体失效风险非常重要。然而,一直以来,UKA假体采用全膝关节测试标准进行磨损性能评估,加载方式对假体磨损评估的影响尚不清楚。此外,UKA假体安装不良会导致膝关节生物力学异常,进而影响假体的磨损性能和服务寿命。但是UKA假体安装误差对关节面磨损的影响尚未讨论。基于ISO 14243-1:2009标准,建立了活动式与固定式UKA假体的有限元接触力学和磨损模型,通过间接验证评估了全膝加载方式下假体磨损预测方法,并进一步对比研究了活动式与固定式UKA假体的磨损差异。结果表明,固定式衬垫的线性磨损深度是活动式的1.5倍,但活动式衬垫的磨损体积是固定式的5.4倍,且活动式衬垫的背部磨损体积占其总磨损体积的70%。因此,与固定式UKA假体相比,活动式UKA假体具有较低的接触应力,但有较大的磨损体积。该有限元模型及磨损模型为UKA假体磨损性能评估以及医生选择假体提供了技术手段。考虑单侧加载和全膝加载的差异性,分别建立UKA假体的有限元接触力学和磨损测试模型,对比研究ISO测试条件与测量数据条件下两种加载方式对UKA衬垫的接触力学与磨损性能评估的影响。结果表明,不论ISO测试条件或测量数据条件,与全膝加载方式相比,单侧加载方式下的UKA衬垫体积磨损量较大。因此,全膝加载方式并不能准确反映UKA假体的磨损情况。此外,与ISO测试条件相比,来自文献测量数据条件下的磨损预测结果较大。本研究建议针对单髁膝关节假体建立更合理的测试方法。联合UKA骨肌多体动力学模型、有限元接触力学模型和磨损模型,研究了UKA股骨假体内外翻安装误差、胫股骨假体关节线安装误差、胫骨假体后倾角变化对假体关节面磨损的影响。结果表明,股骨内外翻并不会明显增加假体接触应力与体积磨损量。UKA关节线的升高增加了衬垫表面的接触应力、磨损体积,UKA关节线的降低则正好相反。UKA胫骨后倾角一定程度上的增加可以降低衬垫表面的接触应力、磨损体积。本文为UKA假体的磨损评估提供了方法,为临床医生理解假体安装误差对其磨损寿命的影响机理提供了理论基础。

关键词： 数字孪生   摩擦磨损试验机   虚拟调试   通信方式   NX MCD  

摘要： 为研究摩擦材料在不同运动形式下的摩擦磨损特性,此篇论文设计了一款多功能摩擦磨损试验机。传统的机械设计制造存在主观性强、试错成本高等问题,同时也需要大量的设计经验支撑,随着智能制造逐渐被重视,制造业也迅速地向数字化、智能化方向发展,基于数字孪生的产品设计方法被不断开发应用。为节省摩擦磨损试验机的开发时间、降低生产调试成本,增强试验机制造可信度并解决传统机械设计制造问题,提出了基于数字孪生的产品制造设计思路,有效解决了传统产品设计制造主观性强、试错成本高以及需要大量设计经验等问题。创新性地利用物理试验数据和NX MCD中的仿真试验数据进行对比,验证NX MCD的数字孪生特性,并为试验机试验方式探索了新方法。主要研究内容如下:(1)根据新型多功能摩擦磨损试验机的功能需求进行调研学习,绘制出多功能摩擦磨损试验机的结构设计图,并依据结构设计图提出了试验机结构中各模块的分布位置以及各零部件关系的总体设计实现方案,通过试验机技术指标对试验机的关键零部件进行了选型和设计还为试验机设计了控制电路。(2)对数字孪生产品设计理念和建模方法进行了研究,提出了产品设计制造思路并论述了NX软件用于产品设计的建模特点和构建产品数字化样机的工作流程,以NX MCD为数字孪生仿真平台,构建了具有仿真能力的多功能摩擦磨损试验机模型。(3)对PLCSIM Advanced与NX MCD间实现数据交互的通信方式以及配置方法进行了研究,选择了最简单且稳定的PLCSIM Adv API通信方式实现两者之间的数据交换。制定摩擦磨损试验机试验的程序控制方案,从而逻辑清晰地编写控制程序和制作HMI控制面板,实现对NX MCD中样机的运动控制。(4)通过进行虚拟联合调试,在NX MCD可视化窗口中验证了多功能摩擦磨损试验机的结构设计和试验运动设计都符合物理现实,为该试验机的生产制造提供了制造决策。此外,物理试验和虚拟试验的试验数据有一些数值基本相等或是偏差较小,并且走势也基本一致,论证了NX MCD中能在一定程度上反应现实物理规律,适用于机械产品的设计和验证。将数字孪生技术应用于产品设计,为其提供机电一体化概念设计解决方案是一个拥有前景的方向。

关键词： 磁控溅射   MoS2-TiCr复合涂层   MoS2-TiCrC复合涂层   摩擦磨损性能   腐蚀性能  

摘要： 通常,Ti或Cr掺杂可以提高MoS2基涂层的致密性、抗氧化性、机械和摩擦学性能。C基材料在高湿环境中具有优异的抗磨损特性。因此,选择Ti和Cr作为MoS2复合涂层的金属掺杂剂,选择C作为MoS2复合涂层的非金属掺杂剂。本文旨在保留单一元素掺杂对MoS2基涂层的积极作用,对MoS2进行二元（Ti和Cr）和三元（Ti、Cr和C）掺杂获得MoS2复合涂层,并研究复合涂层的摩擦学性能和腐蚀性能。本文采用磁控溅射方法制备纯MoS2、MoS2-TiCr和MoS2-TiCrC复合涂层。采用EDS、XPS、XRD、拉曼光谱、SEM、白光干涉、纳米压痕、动电位极化和EIS电化学阻抗谱检测手段调查分析各涂层的化学组成、化合物组成、相结构、微观形貌、表面粗糙度、机械性能和腐蚀性能。在大气、人工海雾和人工海水环境中对各涂层进行摩擦磨损测试以探究各涂层的摩擦磨损行为。结果表明:对于MoS2-TiCr复合涂层,掺杂Ti和Cr显著减少MoS2被氧化。随着Ti和Cr掺杂含量的增加,MoS2-TiCr复合涂层的结晶程度减弱。Ti和Cr含量越高的MoS2-TiCr复合涂层,其微观结构更致密、硬度更高和腐蚀速度更小,但更容易发生腐蚀。在海雾环境中,各MoS2-TiCr复合涂层的摩擦系数均最高,在海水环境中各MoS2-TiCr复合涂层的摩擦系数均最低。在海雾和海水环境中,所有的MoS2-TiCr复合涂层的磨损率均高于大气环境中的。具有高含量Ti和Cr的MoS2-TiCr复合涂层在海水环境中存在明显的腐蚀剥落和分层行为。具有4.2 at.%Ti和5.1 at.%Cr的MoS2-TiCr复合涂层在各环境中都具有最低的磨损率。对于MoS2-TiCrC复合涂层,随着C含量的增加复合涂层的结晶度降低,并且涂层的微观结构更致密、厚度更薄、硬度更高和抗腐蚀性能更好。相比于大气和海雾环境中的,在海水环境中各MoS2-TiCrC复合涂层均获得更低的磨损率。具有43.6 at%C含量的MoS2-TiCrC复合涂层在海水环境中的磨损率仅为0.27×10-6 mm3/N·m。在大气环境中MoS2-TiCr复合涂层表现出更好的摩擦学行为,而在海雾和海水环境中MoS2-TiCrC复合涂层则会表现出更优异的摩擦学行为。