發(fā)布時(shí)間：2020-09-27 13:22

　　 本論文旨在探討復(fù)雜多場(chǎng)耦合接觸問(wèn)題,如磁電彈耦合接觸、磁電彈動(dòng)態(tài)接觸、功能梯度材料在表面彈性能作用下的接觸以及考慮磨損演化的微動(dòng)接觸等基于半解析法的建模理論基礎(chǔ)、方法與快速求解。通過(guò)建立合理的復(fù)雜多場(chǎng)耦合作用下的接觸力學(xué)模型,描述了接觸界面的多因素作用如多物理場(chǎng)、微尺度表面能、微動(dòng)協(xié)同、材料梯度化和動(dòng)態(tài)加載對(duì)接觸力學(xué)行為的影響,探究了相應(yīng)的材料響應(yīng)。主要完成的工作內(nèi)容如下:1.推導(dǎo)了多鐵性磁電彈半空間在單位集中法向力、單位集中切向力、單位集中電荷以及單位集中磁荷下的磁電彈頻率響應(yīng)函數(shù);采用離散傅里葉變換將頻率響應(yīng)函數(shù)轉(zhuǎn)換成了相應(yīng)的影響系數(shù),并利用混疊處理消除了離散誤差;通過(guò)共軛梯度法獲得了接觸壓力,并利用離散卷積-快速傅里葉變換技術(shù)求出了表面及次表面的電/磁勢(shì)及應(yīng)力;建立了多鐵性半空間在不同形狀壓頭下的摩擦滑移接觸力學(xué)模型。在驗(yàn)證了模型的正確性后,利用該模型研究了多鐵性球壓頭在多鐵性半空間上的摩擦滑移接觸力學(xué)行為,并分析了表面電/磁荷和摩擦系數(shù)對(duì)壓力、應(yīng)力、電/磁勢(shì)等接觸特性的影響;開(kāi)展了靈敏度分析,系統(tǒng)研究了材料參數(shù)以及摩擦系數(shù)對(duì)接觸特性的影響。并基于所建立的接觸模型,研究了不同的壓頭形狀以及表面粗糙度對(duì)壓力、應(yīng)力、電/磁勢(shì)等接觸特性的影響。2.建立了表面磁電彈模型,描述了表面能對(duì)接觸力學(xué)行為的尺度效應(yīng)。首先推導(dǎo)了多鐵性磁電彈涂層-剛性基體系統(tǒng)在單位集中法向力和單位集中切向力作用下的頻率響應(yīng)函數(shù),并考慮了表面磁電彈效應(yīng);按(1)的方法,建立了多鐵性磁電彈涂層-剛性基體系統(tǒng)的摩擦滑移接觸力學(xué)模型,利用該模型研究了剛性絕緣球壓頭在多鐵性涂層-剛性基體系統(tǒng)上的摩擦滑移接觸力學(xué)行為,分析了表面磁電彈效應(yīng)、涂層厚度和摩擦系數(shù)對(duì)壓力、應(yīng)力、電/磁勢(shì)等接觸特性的影響;開(kāi)展了靈敏度分析,系統(tǒng)研究了表面效應(yīng)參數(shù)對(duì)接觸特性的影響。并基于所建立的接觸模型,繪制了一系列關(guān)于壓力、電勢(shì)和磁勢(shì)的材料響應(yīng)圖,反映了涂層厚度和材料特性尺寸對(duì)接觸特性的影響。3.推導(dǎo)了多鐵性材料在考慮速度項(xiàng)下的通解;基于該通解,采用與(1,2)類似的方法,獲得了頻率響應(yīng)函數(shù)和相應(yīng)的影響系數(shù)。然后基于快速數(shù)值算法如共軛梯度法和離散卷積-快速傅里葉變換技術(shù),求解了動(dòng)態(tài)接觸問(wèn)題,獲得了壓力分布、應(yīng)力以及電/磁勢(shì)。研究了剛性絕緣球壓頭在多鐵性涂層-剛性基體系統(tǒng)上的動(dòng)態(tài)接觸力學(xué)行為,并分析了加載速度、涂層厚度和壓頭半徑對(duì)壓力、應(yīng)力、電/磁勢(shì)等接觸特性的影響。同時(shí),定義了能量轉(zhuǎn)換因子來(lái)表征多鐵性涂層-剛性基體系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率;開(kāi)展了靈敏度分析,系統(tǒng)研究了材料參數(shù)對(duì)力-電/磁能量轉(zhuǎn)換效率的影響,表明彈性常數(shù)c_1 _1、c_(13)、c_3 _3、c_4 _4,介電系數(shù)?_1 _1,壓電系數(shù)e_3 _3、e_1 _5,壓磁系數(shù)d_i _j和磁導(dǎo)率?_(11)對(duì)力-電/磁能量轉(zhuǎn)換效率的影響很大,而彈性常數(shù)c_1 _2,壓電系數(shù)e_3 _1,介電系數(shù)?_3 _3和磁導(dǎo)率?_(33)對(duì)力-電/磁能量轉(zhuǎn)換效率的影響很小。4.推導(dǎo)了功能梯度涂層-剛性基體系統(tǒng)在單位集中法向力作用下的頻率響應(yīng)函數(shù),并考慮了表面彈性效應(yīng);按(1,2,3)的方法,建立了功能梯度涂層-剛性基體系統(tǒng)的接觸力學(xué)模型,利用該模型研究了剛性圓柱壓頭在功能梯度涂層-剛性基體上的無(wú)摩擦接觸力學(xué)行為,并分析了涂層上下表面的剪切模量比、涂層厚度和表面能對(duì)壓力、應(yīng)力等接觸特性的影響。同時(shí),基于建立的接觸模型,繪制了關(guān)于壓力的材料響應(yīng)圖,反映了涂層厚度和材料特征尺寸對(duì)接觸特性的影響。5.利用上述半解析法計(jì)算了粗糙接觸面下的扭動(dòng)微動(dòng)接觸區(qū)壓力分布及相對(duì)位移幅值。基于修正的Archard方程計(jì)算節(jié)點(diǎn)磨損深度,并更新接觸區(qū)表面輪廓,以此建立了基于半解析法的扭動(dòng)微動(dòng)磨損模型。此外,開(kāi)展了球-平板框架下的扭動(dòng)微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn),獲得了磨損系數(shù)及表面磨損形貌,將不同工況下的數(shù)值模擬表面磨損形貌與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果得到了很好的吻合。
【學(xué)位單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O343.3
【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 緒論
    1.1 研究背景和意義
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 多鐵性材料接觸力學(xué)行為研究現(xiàn)狀
        1.2.2 功能梯度材料接觸力學(xué)行為研究現(xiàn)狀
        1.2.3 微動(dòng)磨損行為研究現(xiàn)狀
        1.2.4 半解析法研究現(xiàn)狀
    1.3 本文主要研究工作
第2章 磁電彈半空間的摩擦滑移接觸力學(xué)行為
    2.1 摩擦滑移接觸的半解析建模
        2.1.1 磁電彈半空間問(wèn)題陳述
        2.1.2 基本方程和邊界條件
        2.1.3 頻率響應(yīng)函數(shù)
        2.1.4 影響系數(shù)
        2.1.5 摩擦滑移接觸問(wèn)題的數(shù)值建模
    2.2 數(shù)值結(jié)果和討論
        2.2.1 模型驗(yàn)證
        2.2.2 無(wú)摩擦接觸下的接觸力學(xué)行為
        2.2.3 摩擦滑移接觸下的接觸力學(xué)行為
        2.2.4 接觸模型的拓展
        2.2.5 材料參數(shù)對(duì)接觸力學(xué)行為的影響
    2.3 本章小結(jié)
第3章 磁電彈涂層-基體系統(tǒng)的摩擦滑移接觸力學(xué)行為
    3.1 表面磁電彈效應(yīng)
    3.2 摩擦滑移接觸的半解析建模
        3.2.1 基本方程和邊界條件
        3.2.2 頻率響應(yīng)函數(shù)
        3.2.3 影響系數(shù)
        3.2.4 摩擦滑移接觸問(wèn)題的數(shù)值建模
    3.3 數(shù)值結(jié)果和討論
        3.3.1 模型驗(yàn)證
        3.3.2 涂層厚度對(duì)接觸力學(xué)行為的影響
        3.3.3 摩擦系數(shù)對(duì)接觸力學(xué)行為的影響
        3.3.4 表面效應(yīng)參數(shù)對(duì)接觸力學(xué)行為的影響
        3.3.5 涂層厚度和材料特性尺寸臨界值
    3.4 本章小結(jié)
第4章 磁電彈涂層-基體系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)加載下的接觸力學(xué)行為
    4.1 動(dòng)態(tài)接觸的半解析建模
        4.1.1 動(dòng)態(tài)接觸問(wèn)題陳述
        4.1.2 基本方程和邊界條件
        4.1.3 磁電彈通解
        4.1.4 頻率響應(yīng)函數(shù)和影響系數(shù)
        4.1.5 動(dòng)態(tài)接觸問(wèn)題的數(shù)值建模
    4.2 數(shù)值結(jié)果和討論
        4.2.1 模型驗(yàn)證和磁電彈瞬態(tài)接觸響應(yīng)
        4.2.2 磁電彈接觸表面的動(dòng)態(tài)特性
        4.2.3 次表面應(yīng)力分析
        4.2.4 能量轉(zhuǎn)換效率
    4.3 本章小結(jié)
第5章 功能梯度涂層-基體系統(tǒng)的接觸力學(xué)行為
    5.1 基于表面能密度的表面彈性效應(yīng)
    5.2 考慮表面效應(yīng)的接觸問(wèn)題
        5.2.1 問(wèn)題陳述
        5.2.2 考慮表面效應(yīng)的基本方程和邊界條件
        5.2.3 頻率響應(yīng)函數(shù)
        5.2.4 影響系數(shù)
        5.2.5 接觸問(wèn)題的數(shù)值建模
    5.3 數(shù)值結(jié)果和討論
        5.3.1 模型驗(yàn)證
        5.3.2 接觸壓力行為
        5.3.3 法向載荷和壓入深度的關(guān)系
        5.3.4 涂層厚度和表面效應(yīng)臨界值
    5.4 本章小結(jié)
第6章 考慮磨損演化及表面粗糙度的扭動(dòng)微動(dòng)磨損行為
    6.1 微動(dòng)接觸的半解析建模
        6.1.1 扭動(dòng)微動(dòng)接觸的基本理論
        6.1.2 法向接觸分析
        6.1.3 切向接觸分析
    6.2 磨損模型
        6.2.1 扭動(dòng)微動(dòng)磨損下的Archard方程
        6.2.2 隨空間變化的摩擦系數(shù)
        6.2.3 基于半解析法的扭動(dòng)微動(dòng)磨損模型
        6.2.4 接觸算法驗(yàn)證
    6.3 實(shí)驗(yàn)步驟
        6.3.1 微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)
        6.3.2 粗糙表面
        6.3.3 摩擦扭矩-角位移幅值曲線
        6.3.4 磨損系數(shù)
    6.4 磨損輪廓演化
    6.5 本章小結(jié)
結(jié)論與展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄A 多鐵性材料的相關(guān)材料參數(shù)
附錄B 多鐵性涂層的相關(guān)解
附錄C 多鐵性涂層的動(dòng)態(tài)加載相關(guān)材料參數(shù)
附錄D 多鐵性涂層的動(dòng)態(tài)加載相關(guān)解
附錄E 功能梯度涂層的退化形式解
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