热-电条件下涂层材料微动磨损机理研究

Fretting wear occurs frequently in the engineering field, such as joint prosthesis, bogie center plate. Besides, with the development of coating materials in tribology field and increasing appearance of complex environment(i. e. thermal-electric couplling), it is very important to quantitative study the fretting behavior of coating materials. But the study focused on it is limited especially for thefretting mechanism in complex environment. Based on the Semi-Analytical Method(SAM) and wear criterion, a new fretting wear model can be developed. This model can be used to solve the fretting problems of coating materials involving actual cases including consideration of the frictional heating and multi-physics field coupling. And it can provide some theoretical guidance for the actual cases, such as the fretting problems of bogie center plate involving heat, fretting problems of electron apparatus in thermal-electric field. Furthermore, a Semi-Analytical discrete-element method(SA-DEM) wear model is developed to study the third body problem in fretting and fretting wear in miroscale. Some theoretical guidance for fretting mechanism of granular materials can be given.

微动磨损在工程领域中广泛存在，如人工关节、机车转向架心盘等，同时涂层材料被广泛应用于摩擦磨损工程领域中，且各种复杂工作环境（热-电耦合等）下的微动频现，故定量研究复杂环境下涂层材料的微动服役性能势在必行。但至今国内外的相关研究尚不够系统，特别是对于热-电条件下的微动磨损机理研究较为罕见。本项目将通过引入半解析法，并基于磨损准则，发展一套新型微动磨损模型，应用于快速求解各种更实际的工况下的涂层材料微动问题，如考虑接触面摩擦热量影响，多场耦合微动（热-电）等，为一些实际服役环境下的微动磨损机理和涂层防护研究提供理论依据，如高速列车转向架心盘微动生热问题，精密电子仪器热-电环境下微动问题。同时，发展一套半解析-离散元法（SA-DEM）磨损模型，考虑磨屑的产生排出三体磨损问题和微观接触磨损等问题，实现宏-微观接触与微动磨损的统一与协调，为多孔材料的微动机理研究提供理论依据。

微动磨损问题在工程中广泛存在，而目前研究手段多为实验研究，且预测微动行为的模型也多为基于实验结果的经验模型。申请人的前期研究已发现目前在理论分析与预测微动行为中的最大困难是对接触问题的计算模型的研究仍然十分有限。由于微动问题的主要特点就是接触体在长时间内进行相对运动，因此要计算预测这种时相关的接触问题的响应的计算量十分巨大，而只有建立高效的接触模型才能很好的处理这种复杂的接触行为。本项目在前期结果的基础上，基于共轭梯度法（CGM）和快速傅里叶变换（FFT）等款速算法，建立了一系列考虑多物理场耦合、多尺度效应、不同接触表面、不同接触体结构以及不同接触体运动行为等复杂条件下的半解析接触模型。本项目中所建立的一系列复杂接触模型已被证明可以高效准确的处理复杂的接触问题尤其是三维情形下的复杂接触问题，并且通过所建立的半解析模型对不同问题的研究分析可以为进一步揭示复杂条件下微动磨损的力学机理和预测不同工况下材料微动行为提供理论依据。