發(fā)布時間：2018-09-07 19:47

【摘要】：當兩個彈性體之間有熱流流過和/或相對滑動時,接觸面上的接觸熱阻/摩擦熱會引起溫度場和接觸壓力的非均勻分布,進而導致接觸面的非均勻熱彈性變形;同時,非均勻熱彈性變形又將加劇溫度場和接觸壓力的非均勻分布。當熱流和滑動速度達到一定值以后,系統(tǒng)在任意微小的擾動下將出現溫度和壓力分布的劇烈波動變化,這種波動變化會使系統(tǒng)喪失穩(wěn)定性而發(fā)生自激震蕩式的失穩(wěn),稱之為熱彈性接觸失穩(wěn)。通常熱彈性接觸失穩(wěn)問題可以分為兩類,一類是接觸熱阻導致的靜態(tài)熱彈性失穩(wěn),另一類是摩擦滑動所導致的摩擦熱彈性失穩(wěn)。而多數情況下,這兩類失穩(wěn)問題同時存在且相互耦合,稱之為耦合熱彈性接觸失穩(wěn)。熱彈性接觸失穩(wěn)問題容易發(fā)生在高速列車、汽車和飛機的制動系統(tǒng)中,表現為摩擦副上熱斑的形成,最終導致制動系統(tǒng)失效。大量的理論與實驗研究表明將功能梯度材料用于表面涂層可提高結構構件抵抗由壓痕、侵入、摩擦滑動、滾動、微動疲勞及相關的磨損過程中引起的接觸損傷和摩擦損傷的能力。本文針對功能梯度材料的二維熱彈性接觸失穩(wěn)問題開展理論研究,探討利用功能梯度材料改善靜態(tài)/滑動系統(tǒng)熱彈性接觸穩(wěn)定性的可行性。主要內容和結論包括:(1)利用攝動法研究了沿厚度方向以指數形式變化的功能梯度層和均勻層之間的二維靜態(tài)熱彈性接觸失穩(wěn)問題,建立了靜態(tài)熱彈性接觸失穩(wěn)準則。研究結果表明,通過調整梯度層的梯度指數和厚度可以有效地改善系統(tǒng)的靜態(tài)熱彈性接觸穩(wěn)定性。(2)假設梯度涂層的物性參數沿厚度方向以任意函數形式連續(xù)變化,利用層合板模型、攝動法和矩陣傳遞法,求解了功能梯度涂層半平面反平面滑動系統(tǒng)的二維耦合熱彈性接觸失穩(wěn)問題。研究結果表明,選擇適當的梯度變化類型可以有效地調節(jié)反平面滑動系統(tǒng)的耦合熱彈性接觸穩(wěn)定性;并且發(fā)現熱擴散系數的梯度變化對系統(tǒng)熱彈性接觸穩(wěn)定性的影響通常不可忽略。(3)進一步研究了功能梯度材料面內滑動系統(tǒng)的二維熱彈性接觸失穩(wěn)問題。分別假設功能梯度材料的物性參數沿厚度方向以指數形式變化和任意函數形式變化,研究了梯度半平面的摩擦熱彈性接觸失穩(wěn)和耦合熱彈性接觸失穩(wěn)問題。研究結果表明,滑動系統(tǒng)的熱彈性接觸穩(wěn)定性對熱參數的梯度指數變化非常敏感,但對彈性參數的梯度指數變化不敏感;梯度變化對滑動系統(tǒng)的耦合熱彈性接觸臨界失穩(wěn)狀態(tài)的影響與接觸面熱流流向相關。通過開展相關的理論研究,不僅完善了功能梯度材料熱彈性接觸問題的理論研究,而且對以改善熱彈性接觸穩(wěn)定性為目標的功能梯度材料的優(yōu)化設計與工程應用具有重要意義,為高速列車制動系統(tǒng)的設計制造提供了重要的理論基礎和技術儲備。
[Abstract]:When there is heat flow and / or relative sliding between two elastomers, the contact thermal resistance / friction heat on the contact surface will cause the non-uniform distribution of the temperature field and contact pressure, which will lead to the non-uniform thermoelastic deformation of the contact surface. The non-uniform thermoelastic deformation will aggravate the non-uniform distribution of temperature field and contact pressure. When the heat flux and sliding velocity reach a certain value, the temperature and pressure distribution of the system will fluctuate violently under any small disturbance, which will make the system lose its stability and cause the self-excited oscillation instability. It is called thermoelastic contact instability. Generally, thermoelastic contact instability can be divided into two categories, one is static thermoelastic instability caused by thermal contact resistance, and the other is friction thermoelastic instability caused by friction sliding. In most cases, these two kinds of instability exist simultaneously and are coupled to each other, which is called coupled thermoelastic contact instability. The thermoelastic contact instability is easy to occur in the braking system of high speed train, automobile and aircraft, which is represented by the formation of heat spot on the friction pair, which eventually leads to the failure of the braking system. A large number of theoretical and experimental studies have shown that the application of functionally graded materials to surface coating can improve the resistance of structural members to indentation, invasion, friction, sliding and rolling. The ability of fretting fatigue and associated wear processes to cause contact and friction damage. In this paper, the two-dimensional thermoelastic contact instability of functionally graded materials is studied theoretically, and the feasibility of using functionally graded materials to improve the thermoelastic contact stability of static / sliding systems is discussed. The main contents and conclusions are as follows: (1) the two-dimensional static thermoelastic contact instability problem between the functional gradient layer and the uniform layer varying exponentially along the thickness direction is studied by using the perturbation method, and the static thermoelastic contact instability criterion is established. The results show that the static thermoelastic contact stability of the system can be effectively improved by adjusting the gradient index and thickness of the gradient layer. (2) it is assumed that the physical parameters of the gradient coating vary continuously in the form of arbitrary function along the thickness direction. By using laminated plate model, perturbation method and matrix transfer method, the two-dimensional coupled thermoelastic contact instability problem of half-plane anti-plane sliding system with functionally gradient coating is solved. The results show that the coupling thermoelastic contact stability of anti-plane sliding system can be effectively adjusted by choosing the appropriate gradient variation type. It is also found that the influence of the gradient of thermal diffusion coefficient on the thermoelastic contact stability of the system can not be ignored. (3) the two-dimensional thermoelastic contact instability of the functionally graded material in-plane sliding system is further studied. The friction thermoelastic contact instability and coupled thermoelastic contact instability of functionally graded materials are studied by assuming that the physical parameters of functionally graded materials vary in exponential form and arbitrary function along the thickness direction respectively. The results show that the thermal elastic contact stability of the sliding system is sensitive to the gradient exponent of the thermal parameters, but not to the gradient exponents of the elastic parameters. The influence of gradient on the critical instability state of coupled thermoelastic contact is related to the flow direction of the contact surface. Through the relevant theoretical research, not only the theoretical study of thermal elastic contact problem of functionally graded materials is perfected, but also the optimization design and engineering application of functionally graded materials aiming at improving the thermoelastic contact stability are greatly improved. It provides an important theoretical basis and technical reserve for the design and manufacture of high speed train braking system.
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB34

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本文編號：2229246